Modellierung von Farbstoffsolarzellen mit polymerem Lochleiter
FSZ bestehen aus Farbstoffmolekülen, welche chemisch an die Oberläche einer porösen Titandioxidschicht gebunden sind. Diese Schicht ist auf der Frontelektrode aufgebracht (gewöhlicherweise ein Glas, das mit einer transparent leitfähigen Schicht bedeckt ist). Die Poren sind mit einem Redoxelektrolyten ausgefüllt, der den Ladungsträgertransport vom Farbstoff zur Rückelektrode übernimmt. Licht wird vom Farbstoff absorbiert, unter der Anregung eines Elektrons vom höchsten unbesetzten Molekularorbital (HOMO) in das niederste besetzte Molekularorbital (LUMO). Das Elektron wird in das Leitungsband des Titandioxides injiziert und zur TCO-Elektrode transportiert. Der ionisierte Farbstoff wird vom Redoxsystem regeneriert. In dieser Arbeit wurde das flüssige Redoxssystem durch ein lochleitendes Polymer ersetzt, da das Versiegeln der FSZ noch ein ungelöstes Problem darstellt. Da der Wirkungsgrad dieses Solarzellentyps weit unter dem von FSZ mit flüssigem Elektrolyten liegt, wurden zwei verschiedene Vorgehensweisen unternommen, um den Wirkungsgrad zu erhöhen. Mit der Laserinduzierten Sekundären Neutralteilchen Massenspektroskopie wurde herausgefunden, dass die Poren in FSZ, die nach der konventionellen Methode hergestellt wurden, nur schlecht mit Polymer ausgefüllt sind. Daher wird nur ein kleiner Teil der Farbstoffmoleküle vom Lochleiter kontaktiert, ein großer Teil an Strom geht verloren. Daher wurde ein neues Zellkonzept entwickelt. Anstatt die unterschiedlichen Schichten nacheinander aufzubringen, wurde eine Mischung aus Titaniumdioxid, Farbstoff und Polymer in einem Schritt aufgebracht und später mit einem Druck von 300bar zusammengepresst. Mit dieser Methode wurde eine gute Porenausfüllung erreicht, aber die Wirkungsgrade waren dennoch zu gering, wenn PEDOT als lochleitendes Polymer verwendet wurde. Deswegen wurde ein zweidimensionales Modell entwickelt, um die vorherrschenden in der Zelle wirksamen Mechanismen zu untersuchen. Das Modell vereinfacht die poröse Titandioxidschicht und berechnet die Verteilung des elektrischen Potentials und Ladungsträgerdichte in der Zelle. Die Poisson- und Kontinuitätsgleichung wurde mit einem Iterationsverfahren gelöst. Mit dem Modell können I/V-Kennlinien und die Verteilung von physikalischen Variablen, wie das Ferminiveau und die Stromdichte untersucht werden. Parametervaritionen können einfach durchgeführt und deren Einfluss auf die Zellcharakteristik ermittelt werden. Um effiziente Solarzellen zu erhalten, ist es wichtig die Rekombination an der Titandioxid/Polymergrenzschicht zu unterbinden. Ein weiteres Ergebnis ist, dass ein guter Lochtransport zu der Rückelektrode notwendig für einen hohen Wirkungsgrad ist. Aber die gute Lochleitfähigkeit sollte nicht auf eine hohe Dunkellochkonzentration des Polymers zurückzuführen sein. In diesem Fall rekombinieren viele Ladungstraägerpaare an der Titandioxid/Polymergrenzschicht und vermindern den Photostrom. Die Leitfähigkeit sollte von einer hohen Lochmobilität im Polymer herrühren. Sogar Polymere, die im Dunkeln schlecht leiten, wie z. B. Poly(3-octylthiophene) (P3OT) können für den Transport der generierten Löcher zur Goldelektrode verwendet werden, da die Ladungsträgerkonzentration unter Beleuchtung aufgrund der Lochinjektion des Farbstoffes ansteigt. P3OT wurde in FSZ verwendet und ein Wirkungsgrad von 1‰ erreicht. Experimente wurden unternommen, um die Polymereigenschaften wie Lochkonzentration und Lochmobilität zu bestimmen, wie auch das HOMO-, LUMO- und Ferminiveau. FSZs wurden mit Spektraler Empfindlichkeits- und Elektrischer Impedanzmessungen untersucht, um Zelleigenschaften zu bestimmen. Weiterhin wurden Dioden aus Titandioxid und Polymer hergestellt, um die Grenzschicht zu charakterisieren. Die Parameter wurden zur Modellierung von FSZ mit P3OT als lochleitendem Polymer verwendet und eine simulierte I/V-Kennlinie wurde einer experimentell bestimmten Kennlinie angepasst. Der Verlauf der Lochkonzentration, des elektrischen Potentials, der Fermienergie und die Stromdichte in der Zelle wurden untersucht. Als wichtigstes Ergebnis erhält man, dass die Absorption von P3OT die Hauptursache für den niedrigen Wirkungsgrad der FSZ ist. Da P3OT gut absorbiert, werden Exzitonen im Inneren des Polymers generiert, die jedoch nicht an der Titandioxid/Polymergrenzschicht dissoziieren. Nur ein geringer Teil des Lichtes kann vom Farbstoff in Elektron/Lochpaare umgewandelt werden. Schließlich wurde untersucht, wie ausgehend von den Polymerkenngrößen von P3OT der Wirkungsgrad von Farbstoffsolarzellen erhöht werden kann. Entweder muss ein stärker absorbierender Farbstoff, ein geringer absorbierendes Polymer verwendet werden, oder die Dissoziation der Exzitonen an der Titandioxid/Polymergrenzschicht muss verbessert werden. Es wurde die Erkenntnis gewonnen, dass eine geringe Lochmobilität im Polymer nicht den Wirkungsgrad dieser Zelle begrenzt.
dye solar cell, modelling, conducting polymers
Networked Digital Library of Theses and Dissertations