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Hybride Dünnschicht-Solarzellen aus mesoporösem Titandioxid und konjugierten Polymeren

Hybrid thin solar cells comprising mesoporous titanium dioxide and conjugated polymers

  • Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der aktiven Komponenten und ihrer Wechselwirkungen in teilorganischen Hybrid-Solarzellen. Diese bestehen aus einer dünnen Titandioxidschicht, kombiniert mit einer dünnen Polymerschicht. Die Effizienz der Hybrid-Solarzellen wird durch die Lichtabsorption im Polymer, die Dissoziation der gebildeten Exzitonen an der aktiven Grenzfläche zwischen TiO2 und Polymer, sowie durch Generation und Extraktion freier Ladungsträger bestimmt. Zur Optimierung der Solarzellen wurden grundlegende physikalische Wechselwirkungen zwischen den verwendeten Materialen sowie der Einfluss verschiedener Herstellungsparameter untersucht. Unter anderem wurden Fragen zum optimalen Materialeinsatz und Präparationsbedingungen beantwortet sowie grundlegende Einflüsse wie Schichtmorphologie und Polymerinfiltration näher betrachtet. Zunächst wurde aus unterschiedlich hergestelltem Titandioxid (Akzeptor-Schicht) eine Auswahl für den Einsatz in Hybrid-Solarzellen getroffen. Kriterium war hierbei die unterschiedliche MorphologieDas Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der aktiven Komponenten und ihrer Wechselwirkungen in teilorganischen Hybrid-Solarzellen. Diese bestehen aus einer dünnen Titandioxidschicht, kombiniert mit einer dünnen Polymerschicht. Die Effizienz der Hybrid-Solarzellen wird durch die Lichtabsorption im Polymer, die Dissoziation der gebildeten Exzitonen an der aktiven Grenzfläche zwischen TiO2 und Polymer, sowie durch Generation und Extraktion freier Ladungsträger bestimmt. Zur Optimierung der Solarzellen wurden grundlegende physikalische Wechselwirkungen zwischen den verwendeten Materialen sowie der Einfluss verschiedener Herstellungsparameter untersucht. Unter anderem wurden Fragen zum optimalen Materialeinsatz und Präparationsbedingungen beantwortet sowie grundlegende Einflüsse wie Schichtmorphologie und Polymerinfiltration näher betrachtet. Zunächst wurde aus unterschiedlich hergestelltem Titandioxid (Akzeptor-Schicht) eine Auswahl für den Einsatz in Hybrid-Solarzellen getroffen. Kriterium war hierbei die unterschiedliche Morphologie aufgrund der Oberflächenbeschaffenheit, der Film-Struktur, der Kristallinität und die daraus resultierenden Solarzelleneigenschaften. Für die anschließenden Untersuchungen wurden mesoporöse TiO2–Filme aus einer neuen Nanopartikel-Synthese, welche es erlaubt, kristalline Partikel schon während der Synthese herzustellen, als Elektronenakzeptor und konjugierte Polymere auf Poly(p-Phenylen-Vinylen) (PPV)- bzw. Thiophenbasis als Donatormaterial verwendet. Bei der thermischen Behandlung der TiO2-Schichten erfolgt eine temperaturabhängige Änderung der Morphologie, jedoch nicht der Kristallstruktur. Die Auswirkungen auf die Solarzelleneigenschaften wurden dokumentiert und diskutiert. Um die Vorteile der Nanopartikel-Synthese, die Bildung kristalliner TiO2-Partikel bei tiefen Temperaturen, nutzen zu können, wurden erste Versuche zur UV-Vernetzung durchgeführt. Neben der Beschaffenheit der Oxidschicht wurde auch der Einfluss der Polymermorphologie, bedingt durch Lösungsmittelvariation und Tempertemperatur, untersucht. Hierbei konnte gezeigt werden, dass u.a. die Viskosität der Polymerlösung die Infiltration in die TiO2-Schicht und dadurch die Effizienz der Solarzelle beeinflusst. Ein weiterer Ansatz zur Erhöhung der Effizienz ist die Entwicklung neuer lochleitender Polymere, welche möglichst über einen weiten spektralen Bereich Licht absorbieren und an die Bandlücke des TiO2 angepasst sind. Hierzu wurden einige neuartige Konzepte, z.B. die Kombination von Thiophen- und Phenyl-Einheiten näher untersucht. Auch wurde die Sensibilisierung der Titandioxidschicht in Anlehnung an die höheren Effizienzen der Farbstoffzellen in Betracht gezogen. Zusammenfassend konnten im Rahmen dieser Arbeit wichtige Einflussparameter auf die Funktion hybrider Solarzellen identifiziert und z.T. näher diskutiert werden. Für einige limitierende Faktoren wurden Konzepte zur Verbesserung bzw. Vermeidung vorgestellt.show moreshow less
  • The main objective of this thesis is to study the active components and their interactions in so called organic hybrid solar cells. These consist of a thin inorganic titanium dioxide layer, combined with a polymer layer. In general, the efficiency of these hybrid solar cells is determined by the light absorption in the donor polymer, the dissociation of excitons at the heterojunction between TiO2 and polymer, as well as the generation and extraction of free charge carriers. To optimize the solar cells, the physical interactions between the materials are modified and the influences of various preparation parameters are systematically investigated. Among others, important findings regarding the optimal use of materials and preparation conditions as well as detailed investigations of fundamental factors such as film morphology and polymer infiltration are presented in more detail. First, a variety of titanium dioxide layer were produced, from which a selection for use in hybrid solar cells was made. The obtained films show differences inThe main objective of this thesis is to study the active components and their interactions in so called organic hybrid solar cells. These consist of a thin inorganic titanium dioxide layer, combined with a polymer layer. In general, the efficiency of these hybrid solar cells is determined by the light absorption in the donor polymer, the dissociation of excitons at the heterojunction between TiO2 and polymer, as well as the generation and extraction of free charge carriers. To optimize the solar cells, the physical interactions between the materials are modified and the influences of various preparation parameters are systematically investigated. Among others, important findings regarding the optimal use of materials and preparation conditions as well as detailed investigations of fundamental factors such as film morphology and polymer infiltration are presented in more detail. First, a variety of titanium dioxide layer were produced, from which a selection for use in hybrid solar cells was made. The obtained films show differences in surface structure, film morphology and crystallinity, depending on the way how the TiO2 layer has been prepared. All these properties of the TiO2 films may strongly affect the performance of the hybrid solar cells, by influencing e.g. the exciton diffusion length, the efficiency of exciton dissociation at the hybrid interface, and the carrier transport properties. Detailed investigations were made for mesoporous TiO2 layer following a new nanoparticle synthesis route, which allows to produce crystalline particles during the synthesis. As donor component, conjugated polymers, either derivatives of cyclohexylamino-poly(p-phenylene vinylene) (PPV) or a thiophene are used. The preparation routine also includes a thermal treatment of the TiO2 layers, revealing a temperature-dependent change in morphology, but not of the crystal structure. The effects on the solar cell properties have been documented and discussed. To take advantage of the nanoparticle synthesis, the formation of crystalline TiO2 particles by UV crosslinking and first solar cell measurements are presented. In addition to the nature of the TiO2 layer, the influence of polymer morphology is investigated. Different morphologies are realized by solvent variation and thermal annealing. It is shown that, among other factors, the viscosity of the polymer solution and the infiltration into the TiO2 layer mainly affects the efficiency of the solar cell. Another approach to increase the efficiency is the development of new hole-conducting polymers that absorb over a wide spectral range and which are adjusted to the energy levels of TiO2. Also new concepts, for example, the combination of thiophene- and phenyl-units into a copolymer are investigated in more detail. In summary, important parameters influencing the properties of hybrid solar cells are identified and discussed in more detail. For some limiting factors concepts to overcome these limitations are presented.show moreshow less

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Metadaten
Author:Sylvia Schattauer
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-52619
Advisor:Dieter Neher
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2010
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2011/05/24
Release Date:2011/06/27
Tag:Polymer; Sintern; Titandioxid; hybride Solarzellen
hybrid thin solar cells; polymers; thermal treatment; titanium dioxide
RVK - Regensburg Classification:UV 2100
RVK - Regensburg Classification:UV 7000
RVK - Regensburg Classification:UV 5100
RVK - Regensburg Classification:UP 7580
RVK - Regensburg Classification:ZN 5160
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
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