Nanostructured Interfaces in Hybrid Solar Cells

Lade...
Vorschaubild
Dateien
Zu diesem Dokument gibt es keine Dateien.
Datum
2014
Autor:innen
Herausgeber:innen
Kontakt
ISSN der Zeitschrift
Electronic ISSN
ISBN
Bibliografische Daten
Verlag
Schriftenreihe
Auflagebezeichnung
DOI (zitierfähiger Link)
ArXiv-ID
Internationale Patentnummer
Angaben zur Forschungsförderung
Projekt
Open Access-Veröffentlichung
Open Access Green
Sammlungen
Core Facility der Universität Konstanz
Gesperrt bis
Titel in einer weiteren Sprache
Nanostrukturierte Grenzschichten in Hybridsolarzellen
Forschungsvorhaben
Organisationseinheiten
Zeitschriftenheft
Publikationstyp
Dissertation
Publikationsstatus
Published
Erschienen in
Zusammenfassung

Excitonic solar cells are an emerging technology which holds the great promise of generating clean and sustainable photovoltaic power at lower cost than conventional silicon solar cells. In excitonic solar cells, the light is absorbed by organic semiconductors and dye molecules, which typically exhibit higher exciton binding energies than inorganic semiconductors. Therefore, free charge carriers can be generated only at interfaces between donor and acceptor materials. These interfaces can provide sufficient energy to overcome the exciton binding energy, resulting in free charge carriers, which then have to be transported towards the external electrodes. Since typical exciton diffusion lengths in organic materials do not exceed 10 nm, a sophisticated design of the internal morphology of the photoactive layer is necessary in order to allow loss-free diffusion of excitons to the separating interface while simultaneously providing consistent pathways for charge transport.



This requirement can be met when employing metal oxide semiconductors like TiO2 as acceptor materials in combination with absorbing organic donors in so-called hybrid solar cells. TiO2 is an abundant, non-toxic, and cheap material and there are several well-established strategies to cover large areas with TiO2 nanostructures. In hybrid solar cells, these structures are decorated with self-assembled monolayers of dye molecules and infiltrated with conducting polymers. This results in a nano-phase separated donor-acceptor structure, which provides short exciton diffusion pathways towards interfaces but works as a consistent charge transport network. A general overview of different types of excitonic solar cells is given in Chapter 2, while working mechanisms of hybrid solar cells and fabrication routes for TiO2 nanostructures are described in more detail in Chapter 3.



Two of the main challenges in hybrid solar cell research are the optimization of 1) the interface between organic and inorganic compounds and 2) the nano-geometry of the metal oxide electrode, i.e., the internal morphology of the active film. Topic 1) is adressed in the first part of this thesis, where the impact of interfacial properties on the mechanisms of charge separation, collection, and recombination is investigated for hybrid solar cells based on TiO2 as the metal oxide electrode and polythiophene as the organic hole transporter. The introduction of a conducting polymer between photoactive film and metal top contact as interfacial layer is discussed in Chapter 5. This coating establishes an Ohmic contact between organic semiconductor and metal electrode, which is favorable for charge collection. Three different self-assembled monolayers of dye molecules and a thin coating of Sb2S3 as modifiers at the interface between TiO2 and polythiophene are presented in Chapter 6. Choice of the modifier allows to partly control charge recombination kinetics at the hybrid interface. In Chapter 7 fine-tuning of the properties of the TiO2-dye-polymer interface with pyridine derivatives is discussed. It is found that a combination of 4-tert-butylpyridine and 4-mercaptopyridine enhances photocurrent and photovoltage simultaneously.



The second part of the thesis adresses topic 2). As a model system for excitonic photoactive layers with different donor-acceptor morphologies polymer:fullerene bulk heterojunction solar cells are investigated in Chapter 8. In this chapter, the kinetics of charge recombination and extraction are analyzed as a function of the internal morphology of the devices. Chapter 9 presents a synthesis route for large area fabrication of TiO2 nanotube arrays on transparent conducting oxides with good control over nanostructure dimensions like tube spacing, diameter, and wall thickness. These structures are highly interesting for applications in hybrid solar cells since they allow a donor-acceptor nano-geometry with fine phase separation, enabling efficient exciton separation by still providing direct pathways for charge transport.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Eine der vielversprechendsten Technologien um konventionelle Silizium-basierte Solarzellen, die typischerweise teuer und energieaufwändig herzustellen sind, abzulösen, stellen sogenannte exzitonische Solarzellen dar. Lichtabsorption findet in exzitonischen Solarzellen in organischen Halbleiter oder in Farbstoffmolekülen statt, in denen die Bindungsenergien für Exzitonen erheblich höher sind als in anorganischen Halbleitern. Diese hohen Exzitonen-Bindungsenergien sind dafür verantwortlich, dass freie Ladungsträger nur an Grenzschichten zwischen Donator- und Akzeptor-Materialien erzeugt werden können. Die Bindungsenergie wird dabei durch den Energieunterschied zwischen den höchsten besetzen bzw. niedrigsten unbesetzten Zuständen der Donator- und Akzeptormoleküle bereitgestellt. Die daraufhin erzeugten freien Ladungsträger müssen dann durch die photoaktive Schicht der Solarzelle zu den äußeren Elektroden transportiert werden. Üblicherweise zeigen organische Halbleiter Exzitonendiffusionslängen von weniger als 10 nm, was spezielle Ansprüche an die innere Morphologie der aktiven Schicht stellt. So muss bewerkstelligt werden, dass einerseits die Durchmischung von Donator- und Akzeptormaterial fein genug ist, um effizient Exzitonen auftrennen zu können und andererseits Domänen von Donator bzw. Akzeptor zusammenhängende Transportwege für Löcher respektive Elektronen zu den Elektroden darstellen.



Diesen Anforderungen kann durch die Verwendung von halbleitenden Metalloxiden wie TiO2 begegnet werden, die in Kombination mit organischen Lochleitern in sogenannten Hybridsolarzellen zum Einsatz kommen. TiO2 ist ein ungiftiges, günstiges und in ausreichender Menge vorkommendes Material. In der Literatur werden bereits einige etablierte Methoden beschrieben um TiO2 Nanostrukturen unter Verwendung von Selbstorganisationsprozessen großflächig herzustellen. In Hybridsolarzellen werden diese Nanostrukturen mit selbstorganisierenden Monolagen von Farbstoffmolekülen dekoriert und anschließend mit halbleitenden Polymeren befüllt. Die resultierenden photoaktiven Schichten weisen dann aufgrund ihrer Nano-Phasenseparation kurze Diffusionswege für Exzitonen, aber gleichzeitig direkte Ladungstransportwege auf. Eine Übersicht über verschiedene exzitonische Solarzellen wird in Kapitel 2 dieser Arbeit gegeben. Eine detailliertere Beschreibung der Funktionsmechanismen von Hybridsolarzellen sowie verschiedener TiO2-Nanostrukturen findet sich in Kapitel 3.



Zwei der größten Herausforderungen in Bezug auf Effizienzsteigerung von Hybridsolarzellen sind die Optimierung sowohl 1) der Grenzschicht zwischen organischem und anorganischem Halbleiter als auch 2) der Nano-Geometrie der Metalloxidelektrode, welche die Morphologie der photoaktiven Schicht festlegt. Punkt 1) wird im ersten Teil dieser Arbeit behandelt, der sich um die Grenzschicht zwischen TiO2 und Polythiophen dreht und in welchem grundlegende Mechanismen wie Ladungserzeugung, -transport und -rekombination diskutiert werden. Die Verwendung eines leitfähigen Polymers als selektivem Kontakt zwischen photoaktiver Schicht und äußerem Silberkontakt wird in Kapitel 5 beschrieben. Diese zusätzliche Polymerschicht stellt einen ohmschen Kontakt zur äußeren Elektrode her. In Kapitel 6 wird der Einfluss dreier verschiedener selbstorganisierender Monolagen von Farbstoffmolekülen sowie einer dünnen Beschichtung mit Sb2S3 zwischen TiO2 und Polythiophen auf die Solarzellen-Performance untersucht. Über die Wahl dieser Grenzschicht-Modifikation ist es möglich, die Kinetik der Ladungsträgerrekombination zu kontrollieren, was sich auch in erheblichen Unterschieden zwischen den resultierenden Leerlaufspannungen sowie den resultierenden Kurzschlussströmen widerspiegelt. Kapitel 7 geht auf die Feinjustierung der Grenzschichteigenschaften mittels Dekoration der Grenzschicht mit Pyridinderivaten in TiO2-Farbstoff-Polymer-Hybridsolarzellen ein. Insbesondere wird gezeigt, wie eine Kombination von 4-Mercaptopyridin und 4-tert-Butylpyridin zu einer gleichzeitigen Erhöhung von Photostrom und -spannung führt.



Der zweite Teil der Arbeit dreht sich um Punkt 2). In Kapitel 8 werden Polymer-Fulleren-Solarzellen als Modellsysteme für exzitonische Solarzellen mit verschiedenen Donator-Akzeptor-Morphologien herangezogen. Die Kinetiken von Ladungsträgerextraktion aus der Solarzelle sowie von Ladungsträgerrekombination in der photoaktiven Schicht werden dabei in Abhängigkeit dieser Morpholgien untersucht. Kapitel 9 beschreibt einen Syntheseweg für die Beschichtung von transparenten Elektroden mit Arrays von TiO2 Nanoröhrchen. Durch die Wahl geeigneter Fabrikationsparameter ist es möglich, den Abstand zwischen den Röhrchen sowie den Röhrchendurchmesser und die Wandstärke separat einzustellen.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik
Schlagwörter
Konferenz
Rezension
undefined / . - undefined, undefined
Zitieren
ISO 690WEICKERT, Jonas, 2014. Nanostructured Interfaces in Hybrid Solar Cells [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
BibTex
@phdthesis{Weickert2014Nanos-28948,
  year={2014},
  title={Nanostructured Interfaces in Hybrid Solar Cells},
  author={Weickert, Jonas},
  address={Konstanz},
  school={Universität Konstanz}
}
RDF
<rdf:RDF
    xmlns:dcterms="http://purl.org/dc/terms/"
    xmlns:dc="http://purl.org/dc/elements/1.1/"
    xmlns:rdf="http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#"
    xmlns:bibo="http://purl.org/ontology/bibo/"
    xmlns:dspace="http://digital-repositories.org/ontologies/dspace/0.1.0#"
    xmlns:foaf="http://xmlns.com/foaf/0.1/"
    xmlns:void="http://rdfs.org/ns/void#"
    xmlns:xsd="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#" > 
  <rdf:Description rdf:about="https://kops.uni-konstanz.de/server/rdf/resource/123456789/28948">
    <dcterms:issued>2014</dcterms:issued>
    <dc:date rdf:datatype="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#dateTime">2014-09-10T08:14:01Z</dc:date>
    <dc:contributor>Weickert, Jonas</dc:contributor>
    <dcterms:rights rdf:resource="https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/"/>
    <dspace:hasBitstream rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/bitstream/123456789/28948/1/Weickert_289482.pdf"/>
    <dspace:isPartOfCollection rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/server/rdf/resource/123456789/41"/>
    <dcterms:available rdf:datatype="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#dateTime">2014-09-10T08:14:01Z</dcterms:available>
    <dcterms:isPartOf rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/server/rdf/resource/123456789/41"/>
    <dcterms:hasPart rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/bitstream/123456789/28948/1/Weickert_289482.pdf"/>
    <dc:language>eng</dc:language>
    <dcterms:alternative>Nanostrukturierte Grenzschichten in Hybridsolarzellen</dcterms:alternative>
    <dcterms:abstract xml:lang="eng">Excitonic solar cells are an emerging technology which holds the great promise of generating clean and sustainable photovoltaic power at lower cost than conventional silicon solar cells. In excitonic solar cells, the light is absorbed by organic semiconductors and dye molecules, which typically exhibit higher exciton binding energies than inorganic semiconductors. Therefore, free charge carriers can be generated only at interfaces between donor and acceptor materials. These interfaces can provide sufficient energy to overcome the exciton binding energy, resulting in free charge carriers, which then have to be transported towards the external electrodes. Since typical exciton diffusion lengths in organic materials do not exceed 10 nm, a sophisticated design of the internal morphology of the photoactive layer is necessary in order to allow loss-free diffusion of excitons to the separating interface while simultaneously providing consistent pathways for charge transport.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;This requirement can be met when employing metal oxide semiconductors like TiO2 as acceptor materials in combination with absorbing organic donors in so-called hybrid solar cells. TiO2 is an abundant, non-toxic, and cheap material and there are several well-established strategies to cover large areas with TiO2 nanostructures. In hybrid solar cells, these structures are decorated with self-assembled monolayers of dye molecules and infiltrated with conducting polymers. This results in a nano-phase separated donor-acceptor structure, which provides short exciton diffusion pathways towards interfaces but works as a consistent charge transport network. A general overview of different types of excitonic solar cells is given in Chapter 2, while working mechanisms of hybrid solar cells and fabrication routes for TiO2 nanostructures are described in more detail in Chapter 3.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;Two of the main challenges in hybrid solar cell research are the optimization of 1) the interface between organic and inorganic compounds and 2) the nano-geometry of the metal oxide electrode, i.e., the internal morphology of the active film. Topic 1) is adressed in the first part of this thesis, where the impact of interfacial properties on the mechanisms of charge separation, collection, and recombination is investigated for hybrid solar cells based on TiO2 as the metal oxide electrode and polythiophene as the organic hole transporter. The introduction of a conducting polymer between photoactive film and metal top contact as interfacial layer is discussed in Chapter 5. This coating establishes an Ohmic contact between organic semiconductor and metal electrode, which is favorable for charge collection. Three different self-assembled monolayers of dye molecules and a thin coating of Sb2S3 as modifiers at the interface between TiO2 and polythiophene are presented in Chapter 6. Choice of the modifier allows to partly control charge recombination kinetics at the hybrid interface. In Chapter 7 fine-tuning of the properties of the TiO2-dye-polymer interface with pyridine derivatives is discussed. It is found that a combination of 4-tert-butylpyridine and 4-mercaptopyridine enhances photocurrent and photovoltage simultaneously.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;The second part of the thesis adresses topic 2). As a model system for excitonic photoactive layers with different donor-acceptor morphologies polymer:fullerene bulk heterojunction solar cells are investigated in Chapter 8. In this chapter, the kinetics of charge recombination and extraction are analyzed as a function of the internal morphology of the devices. Chapter 9 presents a synthesis route for large area fabrication of TiO2 nanotube arrays on transparent conducting oxides with good control over nanostructure dimensions like tube spacing, diameter, and wall thickness. These structures are highly interesting for applications in hybrid solar cells since they allow a donor-acceptor nano-geometry with fine phase separation, enabling efficient exciton separation by still providing direct pathways for charge transport.</dcterms:abstract>
    <foaf:homepage rdf:resource="http://localhost:8080/"/>
    <dc:rights>terms-of-use</dc:rights>
    <dc:creator>Weickert, Jonas</dc:creator>
    <void:sparqlEndpoint rdf:resource="http://localhost/fuseki/dspace/sparql"/>
    <dcterms:title>Nanostructured Interfaces in Hybrid Solar Cells</dcterms:title>
    <bibo:uri rdf:resource="http://kops.uni-konstanz.de/handle/123456789/28948"/>
  </rdf:Description>
</rdf:RDF>
Interner Vermerk
xmlui.Submission.submit.DescribeStep.inputForms.label.kops_note_fromSubmitter
Kontakt
URL der Originalveröffentl.
Prüfdatum der URL
Prüfungsdatum der Dissertation
March 7, 2014
Finanzierungsart
Kommentar zur Publikation
Allianzlizenz
Corresponding Authors der Uni Konstanz vorhanden
Internationale Co-Autor:innen
Universitätsbibliographie
Ja
Begutachtet
Diese Publikation teilen