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Solar cells are a crystallization point of high hopes for the necessary transformation of the global energy production. Organic photovoltaics (OPV), which is based on organic, i.e. carbon-based materials, could be ideally suited to become an important pillar in the energy mix of the "renewables" because they have a better ecological balance sheet compared to conventional silicon-based modules and only a small amount of material is required to produce the thin films. However, a further increase in efficiency is necessary. It is based on various characteristic values such as the open-circuit voltage, whose too low values are currently a main reason for still quite moderate efficiencies of OPV.

The study investigated physical reasons for this - including the vibrations of the molecules in the thin films. It was shown that the so-called zero point vibrations - an effect of quantum physics that characterizes the motion at absolute temperature zero - can have a significant influence on voltage losses. A direct relationship between molecular properties and macroscopic device properties was demonstrated. The results provide important information for the further development and improvement of novel organic materials.

The low energy edge of optical absorption spectra is crucial for the performance of solar cells, but in the case of organic solar cells with many influencing factors it is not yet well understood. In the present study, the microscopic origin of absorption bands in molecular blend systems and their role in organic solar cells was investigated. The focus was on the temperature dependence of the absorption characteristics, which was investigated theoretically under consideration of molecular vibrations. The simulations matched very well with the experimentally measured absorption spectra which leads to a number of important findings.

The authors discovered that the zero-point vibrations, mediated by electron-phonon interaction, cause a considerable absorption bandwidth. This leads to reemission of a part of the energy which is unused and hence reduces the open-circuit voltage. These voltage losses can now be predicted from electronic and vibronic molecular parameters. What is unusual is that this effect is strong even at room temperature and can significantly reduce the efficiency of the organic solar cell. Which strategies to reduce these vibration-induced voltage losses could be applied is being discussed by the authors for a larger number of systems and different heterojunction geometries.

Paper title: Molecular vibrations reduce the maximum achievable photovoltage in organic solar cells
DOI: 10.1038/s41467-020-15215-x

Authors: Michel Panhans, Sebastian Hutsch, Johannes Benduhn, Karl Sebastian Schellhammer, Vasileios C. Nikolis, Tim Vangerven, Koen Vandewal, Frank Ortmann

Institutions involved:

• Technische Universität Dresden: Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed), Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials (IAPP), Institute for Applied Physics
• Hasselt University, Belgium: Institute for Materials Research (IMO-IMOMEC)

Press pictures:

1) Download: https://bit.ly/3aYzpfv

Image caption: Illustration of the generation of charge pairs (excitons), the precursors of free charge carriers in the active layer of an organic solar cell. Free charge carriers then generate an electric voltage at the contacts of the cell. The lower image section shows a microscopic model of the organic thin film.
Credit: M. Panhans

2) Download: https://bit.ly/2UouqhR

Image caption: Dr. Frank Ortmann, cfaed Independent Research Group Leader
Photo: cfaed / Jürgen Lösel

About the Computational Nanoelectronics Group:
The research group at the Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) headed by Dr. Frank Ortmann investigates electronic properties and charge transport properties of novel semiconductor materials. Here, organic semiconductors are currently an important focus of the work, which is funded by the German Research Foundation under the Emmy Noether Program. The group has been based at the cfaed since 2017.
Info: https://cfaed.tu-dresden.de/ortmann-home

Press Contact:

Dr. Frank Ortmann
Technische Universität Dresden, Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed)
Tel.: +49 (0)351 463 43260
E-Mail: frank.ortmann@tu-dresden.de

Matthias Hahndorf
cfaed, Science Communications
Phone: +49 (0)351 463 42847
E-mail: matthias.hahndorf@tu-dresden.de


About cfaed:
cfaed is a research cluster at TU Dresden (TUD). As an interdisciplinary research center for perspectives of electronics it is located at the TUD as the central scientific unit, but also integrates nine non-university research institutions in Saxony as well as TU Chemnitz as cooperating institutes. With its vision, the cluster aims to shape the future of electronics and initiate revolutionary new applications, such as electronics that do not require boot time, are capable of THz imaging, or support complex biosensor technology. These innovations make conceivable performance improvements and applications that would not be possible with the continuation of today's silicon chip-based technology. In order to achieve its goals, cfaed combines the thirst for knowledge of the natural sciences with the innovative power of engineering.
www.cfaed.tu-dresden.de

[Deutsche Version]

PRESSEMITTEILUNG cfaed an der TU Dresden, 20. März 2020

Der Effizienz organischer Solarzellen auf der Spur: Molekülschwingungen reduzieren die maximal erreichbare Photospannung

Wissenschaftler der TU Dresden und der Hasselt University in Belgien haben sich mit den physikalischen Ursachen beschäftigt, welche den Wirkungsgrad neuartiger Solarzellen auf der Basis organischer molekularer Materialien einschränken. Aktuell ist u.a. die Spannung solcher Zellen noch zu gering – ein Grund für ihre noch relativ niedrigen Effizienzen. In ihrer Studie, bei der sie u.a die Schwingung von Molekülen in den dünnen Filmen betrachteten, konnten die Wissenschaftler zeigen, dass ganz fundamentale Quanteneffekte, sogenannte Nullpunktsschwingungen, einen wesentlichen Beitrag zu Spannungsverlusten leisten können. Die Studie wurde nun bei der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Solarzellen sind ein Kristallisationspunkt großer Hoffnungen bei der notwendigen Umstellung der globalen Energieerzeugung. Die Organische Photovoltaik (OPV) basiert dabei auf organischen, also kohlenstoffbasierten Materialien und könnte bestens geeignet sein, eine wichtige Stütze im Energiemix der „Erneuerbaren“ zu werden, weil sie verglichen mit herkömmlichen siliziumbasierten Modulen eine bessere Ökobilanz aufweist und es für die dünnen Filme nur geringen Materialeinsatz bedarf. Notwendig ist aber eine weitere Steigerung des Wirkungsgrads, der auf verschiedenen Kennwerten wie z.B. der Leerlaufspannung beruht. Die zu geringe Leerlaufspannung ist aktuell ein Hauptgrund für noch recht moderate Effizienzen bei OPV.

In der Studie wurden physikalische Ursachen dafür untersucht – unter anderem die Schwingungen von Molekülen in den dünnen Filmen. Es zeigte sich, dass u.a. die sog. Nullpunktsschwingungen – ein Effekt der Quantenphysik, der die Bewegung am absoluten Temperaturnullpunkt charakterisiert – einen wesentlichen Einfluss auf Spannungsverluste haben können. Eine direkte Beziehung zwischen molekularen Eigenschaften und makroskopischen Bauelemente-Größen konnte nachgewiesen werden. Die Ergebnisse liefern wichtige Aussagen für die weitere Entwicklung und Verbesserung neuartiger organischer Materialien.

Der Niederenergiebereich von optischen Absorptionsspektren ist für die Leistung von Solarzellen entscheidend, ist aber im Fall von organischen Solarzellen mit vielen Einflussfaktoren noch nicht gut verstanden. In der vorliegenden Studie wurde der mikroskopische Ursprung von Absorptionsbändern in molekularen Mischsystemen sowie ihre Rolle in organischen Solarzellen untersucht. Im Fokus stand die Temperaturabhängigkeit der Absorptionsmerkmale, die unter Berücksichtigung von Molekülschwingungen theoretisch untersucht wurde. Die sehr gute Übereinstimmung der Simulationen mit den experimentell gemessenen Absorptionsspektren führt zu einer Reihe wichtiger Erkenntnisse.

Die Autoren entdeckten, dass die Nullpunktsvibrationen, vermittelt durch Elektron-Phonon-Wechselwirkung, eine beträchtliche Absorptionsbandbreite verursacht, über die ein Teil der Energie auch wieder ungenutzt abgestrahlt wird und die Leerlaufspannung reduziert. Diese Spannungsverluste können nun aus elektronischen und vibronischen Molekularparametern vorhergesagt werden. Ungewöhnlich ist, dass dieser Effekt selbst noch bei Raumtemperatur stark ist und die Effizienz der organischen Solarzelle erheblich einschränken kann. Welche Strategien zur Verringerung dieser schwingungsinduzierten Spannungsverluste für eine größere Anzahl von Systemen und unterschiedliche Heteroübergangs-Geometrien angewendet werden könnten, wird von den Studienautoren weiter ausgeführt.

Titel der Studie: Molecular vibrations reduce the maximum achievable photovoltage in organic solar cells
DOI: 10.1038/s41467-020-15215-x
Autoren: Michel Panhans, Sebastian Hutsch, Johannes Benduhn, Karl Sebastian Schellhammer, Vasileios C. Nikolis, Tim Vangerven, Koen Vandewal, Frank Ortmann

Beteiligte Institutionen:

• Technische Universität Dresden: Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed), Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials (IAPP), Institut für Angewandte Physik
• Hasselt University, Belgien: Institute for Materials Research (IMO-IMOMEC)

Über die Computational Nanoelectronics Group:
Die Forschungsgruppe am Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) unter Leitung von Dr. Frank Ortmann erforscht elektronische Eigenschaften und Ladungstransporteigenschaften neuartiger Halbleitermaterialien. Hierbei sind organische Halbleiter aktuell ein wichtiger Schwerpunkt der Arbeit, die durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Emmy Noether-Programms gefördert wird. Die Gruppe ist seit 2017 am cfaed angesiedelt.
Info: https://cfaed.tu-dresden.de/ortmann-home

Pressebilder:
1) Download unter https://bit.ly/3aYzpfv
 
Bildunterschrift: Illustration der Erzeugung von Elektron-Loch Paaren (sog. Exzitonen), der Vorstufe von freien Ladungsträgern in der aktiven Schicht einer organischen Solarzelle. Freie Ladungsträger erzeugen anschließend eine elektrische Spannung an den Kontakten in der Zelle. Der untere Bildausschnitt zeigt ein mikroskopisches Modell der organischen Dünnfilms.
Bildautor: M. Panhans

2) Download unter https://bit.ly/2UouqhR
 
Bildunterschrift: Dr. Frank Ortmann, cfaed Independent Research Group Leader
Foto: cfaed / Jürgen Lösel

Pressekontakt:

Dr. Frank Ortmann
Technische Universität Dresden, Center for Advancing Electronics Dresden
Tel.: +49 (0)351 463 43260
E-Mail: frank.ortmann@tu-dresden.de

Matthias Hahndorf
cfaed, Leitung Wissenschaftskommunikation
Tel.: +49 (0)351 463 42847
E-mail: matthias.hahndorf@tu-dresden.de


Über das cfaed:
Das cfaed ist ein Forschungscluster der TU Dresden (TUD). Als interdisziplinäres Forschungszentrum für Perspektiven der Elektronik ist es als Zentrale Wissenschaftliche Einrichtung an der TUD angesiedelt, bindet jedoch neben der TU Chemnitz auch neun außeruniversitäre Forschungsreinrichtungen in Sachsen als Kooperationsinstitute ein. Mit seiner Vision möchte der Cluster die Zukunft der Elektronik gestalten und revolutionär neue Applikationen initiieren, wie bspw. Elektronik, die keine Bootzeit benötigt, die fähig zur THz-Bildgebung ist, oder komplexe Biosensorik unterstützt. Mit diesen Innovationen werden Leistungssteigerungen und Anwendungen denkbar, die mit der Fortsetzung der heute üblichen, auf Siliziumchips basierenden Technologie nicht möglich wären. Um seine Ziele zu erreichen, vereint cfaed den Erkenntnisdrang der Naturwissenschaften mit der Innovationskraft der Ingenieurwissenschaften.
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