Materials and architectures for fully solution-processed organic solar modules: material-specific requirements for loss-minimized module interconnection

Materialien und Architekturen für vollständig lösungsprozessierte organische Solarmodule: materialspezifische Anforderungen für eine verlustminimierte Modulverschaltung

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-189039
  • Organic photovoltaics is a promising technology thanks to many advantageous properties, such as printability, semitransparency and flexibility. These properties have attracted a lot of attention both in academia and in industry. The recent breakthrough of power conversion efficiency above 17% is a good case to this point. However, such rapid advances in performance have also left behind many undesirable gaps in other aspects that are critical to the realization of large scale organic photovoltaic modules. One such issue lies on the monolithic interconnections between individual cells in a solar module. Unlike other conventional photovoltaic technologies, which have relatively robust vacuumOrganic photovoltaics is a promising technology thanks to many advantageous properties, such as printability, semitransparency and flexibility. These properties have attracted a lot of attention both in academia and in industry. The recent breakthrough of power conversion efficiency above 17% is a good case to this point. However, such rapid advances in performance have also left behind many undesirable gaps in other aspects that are critical to the realization of large scale organic photovoltaic modules. One such issue lies on the monolithic interconnections between individual cells in a solar module. Unlike other conventional photovoltaic technologies, which have relatively robust vacuum deposited electrodes, for organic photovoltaics the formation of interconnections of printed electrodes has presented a distinct set of challenges. The goal of this work is to analyse and minimize the electrical losses that are attributed to this interconnection. However, given the wide variety of electrodes that are available and their vastly different properties, this work will narrow its focus on interconnection that are formed with silver. Silver based electrodes are chosen in this work as it is one of the most widely studied electrodes in organic photovoltaics. The first part of this work (Section 4.1) focuses on mimicking and replacing evaporated silver electrodes that are widely used in research and development in organic photovoltaics with printed ones and, thereafter, the realization of organic solar modules with such electrodes. This includes the development of the printable inks and the processes required to fabricate such electrodes. Different organic solar cells are fabricated with such electrodes to showcase their good applicability and compatibility with a large range of materials and structures. More importantly, solar cells with printed silver electrodes have reached a similar performance as evaporated ones. However, despite their apparent similarity, the solar modules that are fabricated with printed silver electrodes perform considerably worse than their evaporated counterparts. Thermal imaging and electrical analysis have revealed that a mere change in processing method can result in a significant difference in the interconnection resistance between the cells. Finally, a remedy to this issue is proposed and the resultant performance difference between both electrode types is less than 4% in a 4 cm2 organic solar module. Overall, this section has demonstrated experimentally that efficient interconnection between cells is an important performance parameter in upscaling organic photovoltaics. The second section (Section 4.2) focuses on developing and analysing the interconnection between transparent electrodes that have comparatively larger sheet resistances than the opaque electrodes discussed in the last section. An analysis of the current-voltage characteristics indicates that the interconnection resistance between silver nanowire (AgNW) top electrode and Indium tin oxide (ITO) bottom electrode is orders of magnitude higher than the interconnection resistance between printed silver and ITO observed in the previous section. Therefore, an alternative approach is presented that can minimize this value. Instead of making a direct connection between the two electrodes, a silver nanoparticle (AgNP) bridge is used instead to connect the two electrodes together. Experimental measurements have indicated that the electrical resistance of printed bridge interconnection is two orders of magnitude lower than the standard gap interconnection. Furthermore, this section has established both theoretically and experimentally, the novel cross bridge Kelvin resistor structure (CBKR) as an accurate tool to measure this intricate electrical parameter. The last section (Section 4.3) focuses on realizing fully printed organic solar module by printed AgNW electrodes only. The various challenges of using AgNW as electrode for organic photovoltaic are first presented and then discussed. The crux of issue, apart from the relatively well-known surface roughness, lies on the low damage threshold of the AgNW network and the relatively low power density of individual AgNWs. This work then showcased in step-by-step fashion how these issues can be addressed or alleviated by following the methodologies that have already been established in the last two sections. By quantitively measuring the interconnection resistance and its power rating, the interconnection between the top and bottom AgNW electrode is optimized and can reliably connect individual cells with minimal electrical and active area losses. Overall, this work has successfully realized fully printed 4 cm2 organic solar modules with close to 5% efficiency. As stated in the beginning, it is almost impossible to provide a solution for every top/bottom electrode combination that is available. Instead, a short guide is provided in section 4.4 with qualitative estimations on the efficiency loss due to interconnection to facilitate and assist readers in their solar module design.show moreshow less
  • Die organische Photovoltaik ist dank zahlreicher vorteilhafter Eigenschaften wie Druckbarkeit, Semitransparenz und Flexibilität eine vielversprechende Technologie. Diese Eigenschaften haben sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie viel Aufmerksamkeit hervorgerufen. Der jüngste Durchbruch bei der Energieumwandlungseffizienz von über 17 % ist ein gutes Beispiel hierfür. Diese rasanten Fortschritte bei der Effizienz haben jedoch auch viele unerwünschte Lücken in anderen Bereichen hinterlassen, die für die Realisierung von organischen Photovoltaikmodulen im großen Maßstab entscheidend sind. Ein solches Problem liegt in den monolithischen Verbindungen zwischen den einzelnen ZellenDie organische Photovoltaik ist dank zahlreicher vorteilhafter Eigenschaften wie Druckbarkeit, Semitransparenz und Flexibilität eine vielversprechende Technologie. Diese Eigenschaften haben sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie viel Aufmerksamkeit hervorgerufen. Der jüngste Durchbruch bei der Energieumwandlungseffizienz von über 17 % ist ein gutes Beispiel hierfür. Diese rasanten Fortschritte bei der Effizienz haben jedoch auch viele unerwünschte Lücken in anderen Bereichen hinterlassen, die für die Realisierung von organischen Photovoltaikmodulen im großen Maßstab entscheidend sind. Ein solches Problem liegt in den monolithischen Verbindungen zwischen den einzelnen Zellen eines Solarmoduls. Im Gegensatz zu anderen konventionellen Photovoltaik-Technologien, die über relativ robuste, im Vakuum abgeschiedene Elektroden verfügen, ergeben sich in der organischen Photovoltaik mit gedruckten Elektroden eine Reihe von Herausforderungen. Ziel dieser Arbeit ist es, die elektrischen Verluste zu analysieren und zu minimieren, die auf diese Verbindungen in teilweise oder vollständig gedruckten Elektroden in einem organischen Solarmodul zurückzuführen sind. In Anbetracht der großen Vielfalt der verfügbaren Elektroden und ihrer sehr unterschiedlichen Eigenschaften beschränkt sich diese Arbeit jedoch auf die Verschaltung mit Silber. Elektroden auf Silberbasis werden in dieser Arbeit ausgewählt, da es sich um eine der am meisten untersuchten Elektroden in der organischen Photovoltaik handelt. Der erste Teil dieser Arbeit (Abschnitt 4.1) konzentriert sich auf die Nachahmung und den Ersatz von aufgedampften Silberelektroden, die in der Forschung und Entwicklung im Bereich der organischen Photovoltaik weit verbreitet sind, durch gedruckte Elektroden und die anschließende Herstellung von organischen Solarmodulen mit solchen Elektroden. Dazu gehört die Entwicklung der druckbaren Tinten und der für die Herstellung solcher Elektroden erforderlichen Verfahren. Verschiedene organische Solarzellen werden mit einer solchen Elektrode hergestellt, um ihre gute Anwendbarkeit und Kompatibilität mit einer großen Bandbreite von Materialien und Strukturen zu demonstrieren. Noch wichtiger ist, dass die zellen mit gedruckter Silberelektrode eine ähnliche Effizienz wie die zellen mit aufgedampfter Elektrode erreicht haben. In manchen Fällen bringen Solarmodule, die mit gedruckter Silberelektrode hergestellt wurden, jedoch erheblich schlechtere Leistungen erbringen als Module mit aufgedampften Elektroden. Wärmebildaufnahmen und elektrische Analysen haben gezeigt, dass eine bloße Änderung der Herstellungsmethode zu einem erheblichen Unterschied im Verbindungswiderstand zwischen den Zellen führen kann. Schließlich wird eine Lösung für dieses Problem vorgeschlagen, und der daraus resultierende Leistungsunterschied zwischen den beiden Elektrodentypen kann bei einem 4 cm2 großen organischen Solarmodul weniger als 4 % betragen. Insgesamt konnte in diesem Abschnitt experimentell nachgewiesen werden, dass eine effiziente Verschaltung zwischen den Zellen ein wichtiger Leistungsparameter für die Hochskalierung der organischen Photovoltaik ist. Der zweite Abschnitt (Abschnitt 4.2) konzentriert sich auf die Entwicklung und Analyse der Verbindung zwischen transparenten Elektroden. Eine Analyse der Strom-Spannungs-Kennlinien zeigt, dass der Verbindungswiderstand zwischen der oberen Elektrode aus Silbernanodrähten (AgNW) und der unteren Elektrode aus Indiumzinnoxid (ITO) um Größenordnungen höher ist als der Verbindungswiderstand zwischen gedrucktem Silber und ITO, der im vorherigen Abschnitt beobachtet wurde . Daher wird ein alternativer Ansatz vorgestellt, mit dem dieser Wert minimiert werden kann. Anstatt eine direkte Verbindung zwischen den beiden Elektroden herzustellen, wird eine Brücke aus Silbernanopartikeln (AgNP) verwendet, um die beiden Elektroden miteinander zu verbinden. Experimentelle Messungen haben ergeben, dass der elektrische Widerstand der gedruckten Brückenverbindung um zwei Größenordnungen geringer ist als der der herkömmlichen Verbindung. Darüber hinaus wurde in diesem Abschnitt sowohl theoretisch als auch experimentell nachgewiesen, dass die neuartige Kreuzbrücken-Kelvin-Widerstandsstruktur ein genaues Instrument zur Messung dieses komplizierten elektrischen Parameters ist. Der letzte Abschnitt (Abschnitt 4.3) befasst sich mit der Realisierung eines vollständig gedruckten organischen Solarmoduls ausschließlich mit gedruckten AgNW-Elektroden . Die verschiedenen Probleme bei der Verwendung von AgNW als Elektroden für die organische Photovoltaik werden zunächst vorgestellt und dann diskutiert. Abgesehen von der Oberflächenrauigkeit liegt der Kern des Problems in der niedrigen Zerstörungsschwelle des AgNW-Netzwerks und der relativ geringen Nennleistung der einzelnen AgNWs. In dieser Arbeit wurde dann Schritt für Schritt gezeigt, wie diese Probleme mit Hilfe der in den letzten beiden Abschnitten bereits vorgestellten Methoden angegangen oder abgemildert werden können. Durch die quantitative Messung des Verbindungswiderstands und der Leistung wird die Verbindung zwischen der oberen und unteren AgNW-Elektrode optimiert, so dass einzelne Zellen mit minimalen elektrischen nd Flächenverlusten zuverlässig verbunden werden können. Insgesamt ist es mit dieser Arbeit gelungen, vollständig gedruckte 4 cm2 große organische Solarmodule mit einem Wirkungsgrad von nahezu 5 % zu realisieren. Wie eingangs erwähnt, ist es fast unmöglich, eine Lösung für jede verfügbare Elektrodenkombination zu finden. Stattdessen wird in Abschnitt 4.4 ein kurzer Leitfaden mit qualitativen Schätzungen zum Wirkungsgradverlust aufgrund der Verschaltung bereitgestellt, um den Lesern die Auslegung ihrer Solarmodule zu erleichtern.show moreshow less

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Metadaten
Author:Kai Cheong TamORCiD
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-189039
Referee:Christoph J. Brabec
Advisor:Christoph J. Brabec
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of publication:2022
Date of online publication (Embargo Date):2022/03/26
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2022/03/16
Release Date:2022/04/04
Tag:AgNW; electrical losses in solar module; fully printed solar module; inkjet; interconnection; opaque electrode; organic photovoltaics; organic solar module; printed electronics; semitransparent electrode; silver; silver nanoparticle; silver nanowire; solar module
Institutes:Technische Fakultät
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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