In-situ study of real time structural evolution during polymer, fullerene bulk heterojunction thin film formation [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Monamie Sanyal
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In-situ study of real time structural evolution during polymer, fullerene bulk heterojunction thin film formation [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Monamie Sanyal

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Description

   In–situ study of Real time Structural  Evolution during Polymer/Fullerene    Bulk Heterojunction Thin Film   Formation       Monamie Sanyal  Stuttgart, 2011     Max Planck Institut für   Metallforschung, Stuttgart,   Germany     Institut für Theoretische und   Angewandte Physik der   Universität Stuttgart, Germany      Prof.InsituandtestudyTof(India)RealhTime201StructuralMetallfoEvolutioncduringMitbPDr.olymer/FPr?fung:ullereneTheoBulkStuttgaHeterojunction2011ThinerFilmteFHelmutoirmationr:VWonderderApFInstitutakult?tundMathematikderundMax-Planck-InstitutPhysikStuttgaderyUniHauptbveirsit?thStuttgar:rtDr.zurDoschErlangungerdercW?rdeteeinesProf.DoktoJ?rgrsrachtrupderagNaturwissenschaftenm?ndlichen(Dr.8rer.rilnat.)1genehmigtef?rAbhandlungretischeVAngewoPhysikrgelegtUniversit?tvonrtMonamief?rSanyrschungalrtausBombaYou only control your Actionand not the Results;So be not motivatedby Results,nor be attached toInaction.Bhagavad Gita 2:47Contents1 Deutsche Zusammenfassung 11.1 Warum sind Polymersolarzellen so bedeutend? . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Struktur von P3HT: PCBM — ein etabliertes fotoaktives Stoffsystem . . 21.3 Zusammenfassung der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Introduction to polymer solar cells 72.1 Why are polymer solar cells important ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2 Polymer solar cells — the future of organic solar cell industry . . . . . . 72.

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Published 01 January 2011
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Language English
Document size 25 MB

 
  In–situ study of Real time Structural
 
Evolution during Polymer/Fullerene
 
  Bulk Heterojunction Thin Film
  Formation
  
 
 
  Monamie Sanyal
 
Stuttgart, 2011
 
 
 
 
Max Planck Institut für
  Metallforschung, Stuttgart,
  Germany
 
 
  Institut für Theoretische und
  Angewandte Physik der
  Universität Stuttgart, Germany
 
 
  
 Prof.InsituandtestudyTof(India)RealhTime201StructuralMetallfoEvolutioncduringMitbPDr.olymer/FPr?fung:ullereneTheoBulkStuttgaHeterojunction2011ThinerFilmteFHelmutoirmationr:VWonderderApFInstitutakult?tundMathematikderundMax-Planck-InstitutPhysikStuttgaderyUniHauptbveirsit?thStuttgar:rtDr.zurDoschErlangungerdercW?rdeteeinesProf.DoktoJ?rgrsrachtrupderagNaturwissenschaftenm?ndlichen(Dr.8rer.rilnat.)1genehmigtef?rAbhandlungretischeVAngewoPhysikrgelegtUniversit?tvonrtMonamief?rSanyrschungalrtausBombaYou only control your Action
and not the Results;
So be not motivated
by Results,
nor be attached to
Inaction.
Bhagavad Gita 2:47Contents
1 Deutsche Zusammenfassung 1
1.1 Warum sind Polymersolarzellen so bedeutend? . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Struktur von P3HT: PCBM — ein etabliertes fotoaktives Stoffsystem . . 2
1.3 Zusammenfassung der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Introduction to polymer solar cells 7
2.1 Why are polymer solar cells important ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Polymer solar cells — the future of organic solar cell industry . . . . . . 7
2.3 How do polymer solar cells work ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 Fabrication of polymer solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5 Challenges in polymer solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.6 Structure of P3HT: PCBM blend — a typical photoactive blend in a poly-
mer solar cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.7 Importance of controlling the nanomorphology of the photoactive blend
in a polymer solar cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.7.1 Effect of annealing the photoactive blend . . . . . . . . . . . . . . 16
2.7.2 Effect of the molecular weight of the polymer . . . . . . . . . . . 17
2.7.3 Effect of the polymer regioregularity . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.7.4 Effect of the photoactive blend composition . . . . . . . . . . . . . 18
2.7.5 Effect of processing solvents on the photoactive blend . . . . . . . 18
2.7.6 Effect of processing additives on the blend . . . . . . 19
2.7.7 Effect of processing microemulsions on the photoactive blend . . 20
3 Outline of thesis 21
v4 Experimental Methods 25
4.1 X-ray Reflectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2 Grazing Incidence X–ray Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.3 Off–Specular Diffuse Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.4 Measurement of Diffracted x–rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.4.1 Area Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.4.2 Point Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.5 Scanning Probe Microscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.5.1 Atomic Force Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.5.2 Kelvin Probe Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5 Experimental set–ups used 39
5.1 Substrate and P3HT: PCBM blend preparation . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.2 New set–up to study real–time in–situ GIXD during P3HT: PCBM blend
drying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.3 Synchrotron Beamlines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.3.1 MPI–MF Surface Diffraction Beamline at ANKA . . . . . . . . . . 41
5.3.2 ID–10B at ESRF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.4 Solar Cell Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.5 Ultra–High Vacuum System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.5.1 Atomic Force Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.5.2 Kelvin Probe Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6 Real time investigation of in–situ drying of P3HT: PCBM blend 49
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.2 Experimental Details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.3 Structural evolution of P3HT: PCBM blend during drying . . . . . . . . . 50
6.4 Evolution of the elastic constants of P3HT: PCBM blend . . . . . . . . . . 53
6.5 Discussion of structural changes during drying . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
7 Effect of drying temperature on P3HT: PCBM blend structure evolution 617.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
7.2 Experimental Details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
7.3 Structural Evolution of P3HT: PCBM blend during drying . . . . . . . . 62
7.3.1 Evolution of Bragg peaks during drying . . . . . . . . . . . . . . . 62
7.3.2 of Mosaicity during drying . . . . . . . . . . . . . . . . 64
7.4 Optical Absorption and AFM data for P3HT: PCBM blend at different
drying temperatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
8 Effect of P3HT: PCBM composition ratio on blend structure 73
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
8.2 Experimental details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
8.3 Structural evolution of P3HT: PCBM blend of different compositions
during drying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
8.3.1 Evolution of Bragg peaks during drying . . . . . . . . . . . . . . . 75
8.3.2 Different stages of drying in different blend compositions . . . . 76
8.3.3 Evolution of the P3HT interchainp–p packing . . . . . . . . . . . 77
8.3.4 Formation of P3HT–PCBM complex . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
8.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
9 Effect of solvent mixtures on dried P3HT: PCBM blend structure 83
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
9.2 Experimental Details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
9.3 P3HT: PCBM blend structure after processing with indane solvent mix-
tures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
9.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
10 Effect of additives on dried P3HT: PCBM blend structure 87
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
10.2 Experimental Details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
10.3 P3HT: PCBM blend structure with additive 1,8–octanedithiol . . . . . . . 88
10.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8911 Summary and Outlook 91
11.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
11.2 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Acknowledgement 95
References 97
List of Figures 113
List of Publications 119
List of Acronyms 121