Institut für Physik und Astronomie
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Термоактивационная спектроскопия композитных полимерных пленок на основе ударопрочного полистирола
(2019)
С помощью метода токов термостимулированной деполяризации (ТСД) исследованы релаксационные процессы в пленках ударопрочного полистирола (УПС) без наполнителя и с различным содержанием диоксида титана TiO2 (2, 4, 6 об.%). На кривых тока ТСД, полученных для композитных пленок, обнаружено три пика. Первый (α-релаксация) возникает при температуре около 93 °C и соответствует переходу вещества из стеклообразного состояния в высокоэластическое. Второй (ρ-пик) появляется как высокотемпературное плечо α-пика и соответствует процессу высвобождения и движения избыточных носителей заряда. Наличие третьего пика при температуре около 150 ºС характерно только для композитных пленок УПС. Разделение перекрывающихся α- и ρ-пиков проведено методом частичной термоочистки. Последующее применение регуляризующих алгоритмов Тихонова позволило определить энергию активации второго процесcа и сравнить полученное значение с результатом, полученным методом диэлектрической спектроскопии.
The influence of relaxation processes on the thermal electret stability of high-impact polystyrene (HIPS) free-standing films filled with titanium dioxide (TiO2) of the rutile modification are investigated by means of a combination of dielectric methods (dielectric relaxation spectroscopy (DRS), thermally stimulated depolarization current (TSDC) and thermally stimulated surface-potential decay (TSSPD)), supplemented by differential scanning calorimetry (DSC) and dynamic mechanical analysis (DMA). Films with 2, 4, 6 and 8 vol.% TiO2 are compared to each other and to non-filled samples. Filling HIPS with up to 8 vol.% of TiO2 enhances the elastic modulus below the glass transition and increases the thermal electret stability above the glass transition without significantly increasing the DC conductivity. The improvement of the electret stability is caused by the build-up of an interface polarization which decays only gradually if the glass transition is exceeded. Two kinds of Arrhenius processes are considered in order to explain the decay of the composite-polymer electrets: (1) charge release from chemical traps located at the phenyl rings of the polymer chain with an activation energy of E-a = 1.1 eV after passing the glass transition at about 100 degrees C and (2) charge release from traps formed by the TiO2 particles with E-a = 2.4 eV at temperatures above 130 degrees C. Finally, the activation energies are discussed with respect to their significance.
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 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.