Design of Low Band Gap Polymers: An Effort to Broaden the Optical Response of the Active Layer in Plastic Solar Cells

Abstract

Semiconducting polymers could perhaps have the greatest impact upon society through the development of polymer photovoltaic cells for power generation. The demand of energy has increased worldwide, mainly due to the development in areas like Asia and Africa. Currently this demand in energy is satisfied mainly by fossil fuels and nuclear power. However, these energy sources are limited and their use has a serious environmental impact. Therefore research toward renewable energy sources has increased in last decades. Among others, photovoltaics (PVs) offer great technological potential as a renewable, alternative source for electrical energy. Today Si-based solar cells are by far the most dominating type of PVs used and account for 99 % of all solar cells. However, to improve processability, lower manufacturing costs, and create flexibility, solar cells based on conjugated polymeric materials are extensively investigated during the last decade. The work described in this thesis focuses mainly on the design of low band gap polymers and their use in these plastic solar cells. A critical issue for this type of solar cells is the rather narrow absorption of the active layer. Since most of the available conjugated polymers were originally developed for visible-LEDs, they exhibit band gaps > 2 eV. Hence, there is a clear mismatch between the absorption spectrum of these materials and the terrestrial solar spectrum. The latter extends into the near infrared therefore, new low band gap materials with absorption extending to the 700-900 nm (Eg = 1.7 – 1.3 eV) region are needed for efficient photon harvesting.

Misschien hebben halfgeleidende polymeren wel de grootste impact op onze maatschappij via de ontwikkeling van polymere zonnecellen. De vraag naar energie is immers wereldwijd gestegen, hoofdzakelijk vanwege de ontwikkeling van gebieden zoals Azië en Afrika. Momenteel wordt deze vraag naar energie hoofdzakelijk tegemoetgekomen door het gebruik van fossiele brandstoffen en kernenergie. Nochtans, zijn deze energiebronnen beperkt en hun gebruik heeft een ernstige invloed op het milieu. Als alternatief voor de fossiele brandstoffen bezit de zon de nodige vereisten om door te gaan als ideale energiebron. Ze is gratis, betrouwbaar en onuitputtelijk. Het gebruik van zonnecellen is niet nieuw en vandaag de dag zijn silicium gebaseerde zonnecellen veruit het meest gebruikte type en vertegenwoordigen ze een marktaandeel van 99 %. De productiekost van deze anorganische zonnecellen is echter te hoog voor het gebruik ervan op grote schaal. Een nieuwe klasse van zonnecellen dringt zich dus op. Deze nieuwe zonnecellen zijn gebaseerd op organische halfgeleiders, waaronder geconjugeerde polymeren. Ze zijn potentieel goedkoper, gemakkelijker te produceren en vertonen mechanische flexibiliteit. Een nadeel van de organische zonnecel is echter de eerder smalle absorptieband van de actieve laag. Aangezien de meeste beschikbare geconjugeerde polymeren oorspronkelijk voor LEDs werden ontwikkeld, hebben zij band gaps die groter zijn dan 2 eV. Hierdoor is er een duidelijke mismatch tussen het absorptiespectrum van deze materialen en het emissiespectrum van de zon. Daarom zijn nieuwe low band gap materialen nodig met een absorptieband tot 700-900 nm (Eg = 1.7 – 1.3 eV). Het werk dat in deze thesis wordt beschreven focust hoofdzakelijk op het ontwerpen van low band gap polymeren en hun gebruik in organische zonnecellen.