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Improving the efficiency of existing photovoltaic (PV) devices was the main motivation of this thesis. For this purpose various material concepts for solution-processable luminescent down-shifting (LDS) layers were designed and developed. They convert incident UV radiation into visible light that PV devices can typically utilize more efficiently. This is achieved through integration of photoluminescent materials into layers. Yet reports on the increase of efficiency of the solar cells varied in numbers and did not provide a general understanding of the advantages and disadvantages of the used materials. The aim of this thesis was to evaluate the potential of different classes of luminescent materials in LDS application for photovoltaics. Analysis of a theoretical numerical model has revealed the major requirements that luminescent materials and LDS layers must fulfill in order to perform successfully with the PV devices of interest. These include: (1) high photoluminescence quantum yield (PLQY) of the luminescent material; (2) high transmittance in the visible light spectral region to avoid any optical losses for the underlying solar cell; and (3) suitable absorption and emission spectra that match with the region of poor/ high response of the cell respectively. The following state-of-the-art luminescent materials from different classes were chosen for LDS layers: luminescent organic dyes, hybrid organo-inorganic luminescent complexes, inorganic semiconductor quantum dots (QDs), and powder phosphors with desired spectral characteristics. For each of the material classes, suitable transparent polymer binders were found that can be processed from solution into layers on glass substrates. A doctor-blade coating process was optimized to prepare coatings with thicknesses of 40 600 µm. Various spectroscopic techniques were applied to characterize the properties of the LDS layers, such as distribution of the luminescent material in matrix, absorptivity, transmittance, absorptance, photoluminescence excitation and emission spectra, and PLQY. Optimized layers were applied onto CIGS and OPV solar cells, and the change in the performance of the devices was measured and analyzed. As powder phosphors contain mainly particles with sizes of a few microns or more, they scatter incident light. Phosphors thereby strongly affect the light propagation processes in and overall performance of LDS layers. Therefore, characterization and further analysis were performed separately for scattering (with powder phosphors) and non-scattering (with all other luminescent materials) LDS layers. To analyze the amount of emitted and transmitted radiation towards the solar cell the terms “optical efficiency” and PLQYTrans were used. It was found that QDs embedded in a matrix lost nearly half of their initial PLQY in solution, leading to a negligible efficiency increase of 0.5 % in the performance of the CIGS solar cell. Although organic dyes V570 and Y083 from Lumogen series have PLQY close to unity, they also have large re-absorption overlaps and small Stokes shifts. This led to a maximal efficiency increase of 3 %. Accelerated stability tests showed that the dyes degrade rapidly in all considered matrix materials. The nanostructured organosilicon luminophores NOL15, a hybrid organo-inorganic complex, showed PLQY similar to the organic dyes, yet the large Stokes shift resulted in a relative efficiency increase of 4.3 % for a CIGS solar cell. Numerical simulations were used to determine the optimal chemical structure of the molecules that can potentially lead to an efficiency increase of up to 5 %. To understand and model the scattering behavior of phosphor particles in LDS layers, a method was developed to determine the complex refractive index of particulate luminescent materials. Novel spectral and angular resolved scattering measurements were used to measure absorptance and PLQY of the layers. The total transmittance, TTot, absorptance, Abs, and PLQY of these layers were studied both numerically and experimentally as functions of the thickness of the layers, particle concentration, difference between the refractive indices of the particles and matrix material, Δn, and particle size distribution, D50. The irregularities of the shape and surface of particles were found to be an additional influential parameter. The maximum measured efficiency increase upon application of optimized scattering layers was 5 % for an OPV cell, and 2.4 % for a CIGS device. The final chapter presents guidelines for choosing the luminescent material for an LDS application in PV. The recommendations are given in the sequence that is suitable for the producers of the solar panels and applicable for both existing and to-be developed in future luminescent materials. Die Verbesserung der Effizienz existierender Photovoltaik-Anlagen war die Hauptmotivation dieser Arbeit. Hierzu wurden mehrere Materialkonzepte für lösungsprozessierbare Lumineszenz Down Shifting-Schichten (LDS) entworfen und entwickelt. LDS-Schichten konvertieren einfallende UV-Strahlung in sichtbares Licht, das Solarzellen effizienter nutzen können. Dies wird durch eingebundene lumineszierende Materialien erreicht, die UV-Strahlung absorbieren und sichtbares Licht emittieren. Berichte über erreichte Effizienzerhöhungen von Solarzellen variieren in den Zahlen und tragen nicht zum allgemeinen Verständnis der Vor- und Nachteile der verwendeten Materialien bei. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, das Potenzial verschiedener Typen von Lumineszenzmaterialien in LDS-Schichten für die Anwendung in der Photovoltaik zu evaluieren. Die Analyse theoretischer numerischer Modelle zeigt die wichtigsten Anforderungen an die Lumineszenzmaterialien und LDS-Schichten auf, um mit der jeweiligen Photovoltaik-Technologie erfolgreich zu sein: (1) hohe Photolumineszenz Quantenausbeute (PLQY) der Leuchtstoffe; (2) hohe Transmission im Bereich des sichtbaren Lichts, um optische Verluste in den unterliegenden Zellen zu vermeiden; (3) Absorptions- bzw. Emissions-Spektren der Lumineszenzmaterialien, die zu den spektralen Bereichen niedriger bzw. hoher Leistung der Solarzelle passen. Für die LDS-Schichten wurden folgende modernste lumineszierende Materialien aus verschiedenen Klassen ausgewählt: lumineszierende organische Farbstoffe, hybride organisch-anorganische lumineszierende Komplexe, anorganische Halbleiter-Quantenpunkte (QD), Phosphore mit entsprechenden spektralen Eigenschaften. Für jedes Material wurde eine passende Polymermatrix ausgesucht, die als Lösung auf Glassubstrate beschichtet werden kann. Das Doctor-Blade Beschichtungsverfahren wurde optimiert, um Schichtdicken von 40-600 µm zu erhalten. Verschiedene Spektroskopie-Techniken wurden verwendet, um Eigenschaften der LDS-Schichten zu bestimmen wie die Verteilung der Leuchtstoffe in der Matrix, die Absorptivität, die Transmission, die Absorption, die Photolumineszenz Absorptions- und Emissions-Spektren und die Photolumineszenz-Quantenausbeute. Optimierte Schichten wurden auf CIGS und organische Solarzellen aufgebracht, und deren Leistungsänderung vermessen und analysiert. Da die Phosphore hauptsächlich aus Partikeln bestehen, die Größen von mehreren Mikrometer haben, streuen sie das einfallende Licht und beeinflussen die Lichtpropagationsprozesse in den Schichten und ihre Wirkung. Daher wurden die Charakterisierung und die weitere Analyse separat für die streuenden (mit Phosphoren) und nicht-streuenden (mit allen anderen Leuchtstoffen) LDS-Schichten durchgeführt. Um die Anteile von emittierten und in die Zelle transmittierten Photonen zu analysieren, wurden die zwei Parameter „optische Effizienz“ und „transmittierte Photolumineszenz-Quantenausbeute“ (PLQYTrans) verwendet. Es wurde herausgefunden, dass durch Einbetten von QDs in die Matrix deren PLQY um die Hälfte im Vergleich zu der in Lösung sinkt und sie daher nur zu einer vernachlässigbaren Effizienzsteigerung der CIGS Zelle um 0,5 % führen. Die organischen Farbstoffe V570 und Y083 der Lumogen-Serie haben eine PLQY von nahezu 100 %, weisen allerdings eine große Überschneidung zwischen Absorptions- und Emissions-Spektren und einen kleinen Stokes Shift auf. Das führte zu einer Effizienzerhöhung der Zelle von maximal 3 %. Beschleunigte Stabilitätstests haben gezeigt, dass die Farbstoffe in allen verwendeten Matrixmaterialien schnell degradieren. Der nanostrukturierte organisch-anorganische Hybrid-Komplex NOL15, zeigte eine PLQY ähnlich der der organischen Farbstoffe, jedoch war der Stokes Shift deutlich größer, wodurch eine relative Erhöhung der Effizienz einer CIGS Solarzelle von 4,3 % erreicht wurde. Numerische Simulationen wurden dazu verwendet, um die optimale chemische Struktur der Moleküle zu bestimmen, die potenziell zu einer Effizienzerhöhung von 5 % führen kann. Um das Streuverhalten der Phosphorpartikel in den LDS-Schichten zu verstehen und zu modellieren, wurde eine Methode entwickelt, um den komplexen Brechungsindex von Phosphorpartikeln zu bestimmen. Eine neue spektral- und winkel-aufgelöste Streuungsmessung wurde verwendet, um Absorption und PLQY der streuenden Schichten zu messen. Die totale Transmission TTot, Absorption Abs und PLQY wurden numerisch und experimentell als Funktion der Schichtdicke, der Partikelkonzentration, des Unterschieds der Brechungsindizes von Phosphoren und Matrix Δn und der Korngrößenverteilung D50 untersucht. Die maximale gemessene Effizienzerhöhung unter Verwendung der optimierten LDS-Schichten war 5 % für organische Solarzellen und 2,4 % für CIGS Zellen. Das letzte Kapitel gibt einen Leitfaden zur Auswahl von Leuchtstoffen für LDS-Schichten zur Anwendung in der Photovoltaik. Diese Empfehlungen sind in der Form gegeben, dass sie sowohl von Herstellern von Solaranlagen anwendbar sind als auch für existierende und in Zukunft entwickelte Lumineszenzmaterialien gelten. |
