OTRACE - ZAE Bayern

BAYERISCHES ZENTRUM FÜR
ANGEWANDTE ENERGIEFORSCHUNG E.V.
Abteilung: Funktionsmaterialien der Energietechnik
ZAE BAYERN
Organische Photovoltaik: Messung der Beweglichkeit und Lebensdauer von photogenerierten Ladungsträger unter realen Arbeitsbedingungen
Motivation
In der organischen Elektronik—Organische Photovoltaik (OPV), Organischen Leuchtdioden (OLED),
Organische Feldeffekttransistoren (OFET)—sind
Größen wie die Ladungsträgerbeweglichkeit, sowie
deren Konzentration und Lebensdauer von enormer
Bedeutung. Ein ausgeglichener Ladungstransport
verhindert beispielsweise ein Aufladen des elektronischen Bauteils während die Rekombination der
Ladungsträger einen gewollten (OLED) oder aber
ungewollten Verlust (OPV) dergleichen darstellt.
Des weiteren bestimmt die Beweglichkeit beispielsweise die maximale Schaltfrequenz von
Feldeffekt-transistoren und legt für Solarzellen die
optimale Dicke der Absorberschicht fest. Eine
Messmethode, die diese Kenngrößen simultan in
einem organischen Dünnschicht-Bauteil bestimmen
lässt, ist die Methode des photo-CELIV (engl.: photogenerated Charge carrier Extraction by Linearly
Increasing Voltage). In organischen Solarzellen
kommt es dabei speziell darauf an, dass keine
störende Ladungsträgerinjektion der eigentlichen
Photogeneration überlagert ist. Dazu wurde am ZAE
Bayern in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Experimentelle Physik 6 an der Universität Würzburg
die Messmethode OTRACE [1] (engl: open cirucit
corrected charge carrier extraction) entwickelt.
Dadurch lassen sich wichtige Aussagen zum Transport und der Rekombination von Ladungsträgern
unter realen Arbeitsbedingungen in der Solarzellen
machen.
Speicheroszilloskops detektiert. Die Photogeneration erfolgt mittels einer gepulsten Weißlicht-LED.
Aus dem Extraktionsmaximum lässt sich die
Beweglichkeit und aus dem Stromintegral die
Konzentration der Ladungsträger ermitteln. Der
große Vorteil gegenüber anderen Messmethode ist,
dass wichtige Größen wie Ladungsträgerbeweglichkeit, –konzentration, und –lebensdauer
lassen sich simultan und unter realen Arbeitsbedingungen der Solarzelle bestimmt werden können.
Messprinzip
Ähnlich der photo-CELIV Methode wird an die Solarzelle eine zeitlich linear ansteigende Spannung
U(t) = A‘·t in Sperrichtung angelegt um die vorher
photogenerierten Ladungsträger aus der Probe zu
extrahieren. Durch Anlegen einer zeitliche variierenden Offsetspannung zwischen der Photogeneration
und der Extraktion, wird die Solarzellen in der
offenen Klemmenspannung gehalten. Dadurch wird
verhindert, dass die erzeugten Ladungsträger noch
vor dem Extraktionspuls die Probe verlassen oder
zusätzliche Ladungsträger in die Probe injiziert werden. Stattdessen können die photogenerierten
Ladungsträger miteinander rekombinieren, was einen Verluststrom für die Solarzelle darstellt. Nach
einer Verzögerungszeit (engl.: delay time td) werden
die verbliebenen Ladungsträger aus der Solarzelle
durch die linear ansteigende Spannung (in Sperrichtung der Diode) extrahiert. Die resultierende Stromtransiente wird mit einem Digital[1] Baumann et al., Adv. Mater. 24, 4381 (2012),
Patentanmeldung DE 10 2011 108 822 A1
Abbildung: Schema der angelegten Spannungskurve an
die Solarzelle mit zeitlich variierender Offsetspannung
(Voff) während der Delayzeit td [1].
Spezifkationen:
Messgröße:
(τ), Konzentration (n)
Optische Anregung:
Temperatur:
Detektion:
Atmosphäre:
Probengeometrie:
Schichtdicke (HL):
Beweglchkeit (µ), Lebensdauer
Weißlicht-LED
300K - 50 K
2.5 GHz Speicheroszilloskop
Helium (1000mbar)
max:12.5 mm x 25 mm
1 µm – wenige nm
Ansprechpartner:
Dr. Andreas Baumann
Tel:
++49931/31 83115
Fax:
++49931/70564-60
email: [email protected]
http:
www.zae-bayern.de
Anschrift: ZAE Bayern, Am Hubland, 97074 Würzburg
BAYERISCHES ZENTRUM FÜR
ANGEWANDTE ENERGIEFORSCHUNG E.V.
Abteilung: Funktionsmaterialien der Energietechnik
ZAE BAYERN
Organic Photovoltaics: Determination of the concentration, mobility and lifetime of
photogenerated charge carries under real operating conditions
Motivation
In the field of organic electronics—organic photovoltaics (OPV), organic light emitting diodes (OLED)
a n d o r g a n i c f i e l d e ff e c t t r a n s i s t o r s ( O FET)—parameters, such as the charge carrier mobility and lifetime have an fundamental impact on the
performance of the device. An balanced charge
transport for example is essential to avoid a space
charge piling up inside the device, whereas the recombination of charge carriers is on purpose (for
OLEDs) or describes a loss mechanism in case of
organic solar cells. Moreover, the charge carrier
mobility determines the maximum frequency for
switching a OFET or defines the optimum thickness
of the absorber layer in an organic solar cell. An experimental technique, which simultaneously determines the concentration, the mobility and lifetime of
photogenerated charge carriers is the technique of
photo-CELIV (photogenerated Charge carrier Extraction by Linearly Increasing Voltage). Studying
organic solar cells it is imperative to avoid charge
carrier injection during the measurements overlying
the photogeneration. Therefore, a new measurement technique was evolved at the ZAE Bayern in
close cooperation with the chair of experimental
physics 6 at the university of Würzburg which is
called OTRACE [1] (open circuit corrected charge
carrier extraction). With the new technique it is now
feasible to study the transport and recombination of
photogenerated charge carriers under real operating
conditions without the impact of charge carrier injection, as is usually the case in the conventional
photo-CELIV technique.
Principle of operation
For extraction of the photogenerated charge carriers, a linearly increasing voltage in reverse direction
U(t) = A‘·t is applied to the solar cell similar to the
technique of photo-CELIV. In case of OTRACE,
however, an adaptive field control, i.e. a time dependent offset voltage, between the photogeneration and the charge carrier extraction keeps the solar cells under open cirucit conditions. Thus, charge
carrier injection or extraction before the linear voltage pulse disturbing the measurement signal is
avoided. Instead, the photogenerated charge carriers are forced to recombine, which is a loss current
for the solar cell.
After a certain delay time td the residual charge carriers are extracted by the linearly increasing voltage
pulse. The resulting current transient is acquired by
a digital storage oscilloscope. The photogeneration
[1] Baumann et al., Adv. Mater. 24, 4381 (2012),
Patentanmeldung DE 10 2011 108 822 A1
of charge carriers is typically done by a white light
LED . From the peak position of the extraction current, we can calculate the charge carrier mobility
and from the integral of the current transient the
concentration of the photogenerated charge carriers. The great advantage of the new technique is,
that the mobility, lifetime and concentration of photogenerated charge carriers can be simultaneously
determined under real operating conditions, i.e.
open circuit conditions at room temperature.
Abbildung: shematic of the applied voltage shape with a
time dependent offset voltage during the delay time td. [1]
Specifications
parameter:
charge carrier mobility (µ), lifetime (τ), concentration (n)
optical excitation:
Weißlicht-LED
temperature:
300K - 50 K
aquisition:
2.5 GHz digial storage oscilloscope
atmosphere:
helium (1000mbar)
sample geometry:
max:12.5 mm x 25 mm
layer thickness :
1 µm – wenige nm
contact:
Dr. Andreas Baumann
Tel:
+49931/31 83115
Fax:
+49931/70564-60
email: [email protected]
http:
www.zae-bayern.de
Anschrift: ZAE Bayern, Am Hubland, 97074 Würzburg