Dokument: Entwicklung von mit Halbleiter-Nanopartikeln und Farbstoffmolekülen sensibilisierten Solarzellen

Titel:	Entwicklung von mit Halbleiter-Nanopartikeln und Farbstoffmolekülen sensibilisierten Solarzellen
Weiterer Titel:	Investigation of solar cells sensitized with semiconductor nanoparticles and dye molecules
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=20402
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20120130-113023-0
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Ogermann, Daniel [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 27,06 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 30.01.2012 / geändert 30.01.2012
Beitragende:	Prof. Dr. Kleinermanns, Karl [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Müller, Thomas J. J. [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	Im Rahmen dieser Arbeit wurden sowohl die photovoltaischen Eigenschaften von QDSCs („Quantum Dot Solar Cells“), die mit der SMD („Sintered Mixture Deposition“)-Methode präpariert wurden, als auch von DSSCs („Dye Sensitized Solar Cells“) mit neuartigen organischen Farbstoffen gezeigt. Grätzel-Zellen wurden mit CdSe- und CdSxSey-Nanopartikeln als Sensibilisatoren präpariert. Die Quantenpunkte wurden mit einer einfachen Mischmethode in verschiedenen Größen und Konzentrationen in eine TiO2 Nanopartikel-Schicht eingebunden. Der Vorteil dieser Methode im Vergleich zum Anbinden der Nanopartikel an das TiO2 mittels Verknüpfungsmolekülen oder der chemischen Deposition liegt darin, dass es möglich ist, das Verhältnis zwischen TiO2 und CdSe bzw. CdSxSey präziser und über einen großen Konzentrationsbereich zu kontrollieren. TiO2-Solarzellen, die mit Hilfe dieser Technik sensibilisiert wurden, erzielten Photon-zu-Elektron Umwandlungseffizienzen („Incident Photon-to-current Conversion Efficiency” (IPCE)) von etwa 40 % im Bereich von 300 bis 500 nm mit einer maximalen IPCE von ~70 % bei 400 nm (Sulfid/Sulfat Elektrolyt). Bei Wellenlängen über 500 nm wurden die besten Ergebnisse mit CdSxSey/TiO2 Zellen in einem molaren Verhältnis von 6:1 (S:Se) mit einer IPCE von 40 % bei 500 nm und 15 % bei 800 nm erzielt. Quanteneffizienzen, die mit einem Iodid/Triiodid Elektrolyten beobachtet wurden, waren niedriger und führten zu einer Gesamteffizienz von 0,32 %. Die Solarzellen, die mit CdSxSey sensibilisiert wurden, zeigen im Vergleich zu CdSe basierten Systemen eine verbesserte Stabilität und die Verwendung des Iodid/Triiodid Elektrolyten führt zu längeren Lebenszeiten der Zellen. In Kooperation mit den Instituten für organische Chemie in Düsseldorf (Prof. Dr. T.J.J. Müller) und Jena (Prof. Dr. R. Beckert) wurde eine Reihe von Donor-pi-Akzeptor Farbstoffen, die der Gruppe der Phenothiazine und Thiazole zuzuordnen sind, erfolgreich synthetisiert und charakterisiert. Diese Farbstoffe besitzen im Vergleich zu den oft genutzten Metallkomplexen wie den Rutheniumkomplexen hohe Absorptionskoeffizienten, die auf eine gute Eignung als Sensibilisatoren für DSSC hinweisen könnten. Es zeichnet sich im Vergleich zum Standardfarbstoff N3 (Ruthenium-Komplex) eine Gesamteffizienz von 46 % (Phenothiazin) bzw. 42 % (Thiazol) ab. Ausschlaggebend sind ein langes konjugiertes pi-System, wodurch es zu einer langwelligen Absorption kommt, günstige energetische Lagen von HOMO und LUMO, um einen optimalen Elektronentransfer zu garantieren, und die Vermeidung von sterisch ungünstigen Anordnungen im Farbstoffmolekül. The present dissertation is concerned with the photovoltaic properties of QDSCs (“Quantum Dot Solar Cells“), which were prepared by using the SMD („Sintered Mixture Deposition“) -method, and DSSCs („Dye Sensitized Solar Cells“) sensitized with new organic dyes. Grätzel cells were prepared by using CdSe - and CdSxSey - nanoparticles as sensitizer. The quantum dots were incorporated in various sizes and concentrations in a TiO2 nanoparticle layer by a simple mixing procedure. The advantage of this method compared to anchoring of nanoparticles to TiO2 by linker molecules or chemical bath deposition is the ability to control the ratio between TiO2 and CdSe or CdSxSey more precisely and over a larger range of concentrations. TiO2 solar cells sensitized by this technique achieved photon-to-current conversion efficiencies (IPCE) of ~ 40 % in the range of 300 - 500 nm with a maximum IPCE of ~ 70 % at 400 nm (sulphide / sulphate electrolyte). The best results at wavelengths above 500 nm were achieved with CdSxSey /TiO2 cells at a molar ratio of 6:1 (S:Se) with IPCE of 40 % at 500 nm and 15% at 800 nm. Quantum efficiencies obtained with iodide/triiodide electrolyte were lower and lead to an overall efficiency of 0,32 %. The CdSxSey sensitized solar cells show enhanced stability compared to CdSe based systems and the use of the iodide/triiodide electrolyte further increases cell endurance. In cooperation with the institutes of organic chemistry in Düsseldorf (Prof. Dr. T.J.J. Müller) and Jena (Prof. Dr. R. Beckert) a series of donor-pi-acceptor dyes, which belong to the group of phenothiazines and thiazoles, were synthesized and successfully characterized. In comparison to the often used metal complexes based for instance on ruthenium, these dyes exhibit high extinction coefficients, which might indicate a good suitability as sensitizers in DSSCs. The sensitizers performing the best correspond to 46 % (phenothiazine derivate) and 42 % (thiazole derivate) of the performance of a DSSC prepared with the standard dye N3 under the same experimental conditions. An expanded conjugated pi-system, the optimal energetic positions of HOMO and LUMO and the avoiding of unfavorable steric constitutions of the dye molecules are crucial factors to guarantee an optimal electron transfer and a broad light absorption.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Chemie » Physikalische Chemie und Elektrochemie
Dokument erstellt am:	30.01.2012
Dateien geändert am:	30.01.2012
Promotionsantrag am:	14.11.2011
Datum der Promotion:	18.01.2012