Authors:	Kim, Yoojin
Title:	Charge generation and recombination in solid-state dye-sensitized solar cells
Online publication date:	13-Apr-2015
Year of first publication:	2015
Language:	english
Abstract:	Diese Doktorarbeit befasst sich mit Ladungsgeneration und – rekombination in Feststoff-Farbstoffsolarzellen, die spiro-OMeTAD als Lochleiter verwenden. Die vorliegende Arbeit ist in drei Fallstudien unterteilt: i.) Kern-erweiterte Rylen-Farbstoffe, ii.) ein Perylenmonoimid-Farbstoff und iii.) Donor-π verbrückte (Cyclopentadithiophen)-Akzeptor-Farbstoffe. Trotz ihres hohen molaren Extinktionskoeffizienten und der hohen Absorbanz der sensibilisierten Filme, zeigen einige dieser Farbstoffmoleküle nur geringe photovoltaischen Effizienzen. Um den Ursprung des geringen Wirkungsgrades herauszufinden, wurde breitbandige, ultraschnelle transiente Absorptionsspektroskopie an Solarzellen durchgeführt.rnInsbesondere die Auswirkungen verschiedender Ankergruppen, Dipolmomente, Photolumineszenzlebenszeiten, Lithium-Kationensensitivität und Ladungsträgerdynamik, die alle einen großen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Solarzelle besitzen, wurden untersucht. In der ersten Fallstudie zeigte ein kurzer Rylen-Farbstoff aufgrund deutlich verlängerter Lebenszeiten die beste Effizienz im Vergleich zu größeren Kern-erweiterten Rylen-Farbstoffen. Die Lebenszeit wurde weiter reduziert, wenn Maleinsäure als Ankergruppe unter einer Ringöffnungsreaktion an die mesoporöse Oberfläche des Metalloxid-Halbleiters adsorbierte. Dies konnte mit Hilfe von Berechnungen mittels der Dichtefunktionaltheorie (DFT, B3LYP) auf die Differenz des Dipolmoments zwischen Grundzustand und angeregtem Zustand zurückgeführt werden. Die Berechnungen bekräftigen die unvorteilhafte Injektion von Ladungen durch die Änderung der Richtung des Dipolmoments, wenn eine Ringöffnung der Anhydridgruppe stattfindet. In der zweiten Studie zeigte das Perylenmonoimid-Derivat ID889 einen Wirkungsgrad von 4.5% in Feststoff-Farbstoffsolarzellen, wobei ID889 sogar ohne Zuhilfenahme eines Additivs in der Lage ist langlebige Farbstoffkationen zu bilden. Die Verwendung von Lithium-Kationen stabilisiert jedoch sowohl den Prozess der Ladungsgeneration als auch den der Ladungsregeneration. Des Weiteren wurde in ID889-sensitivierten Bauteilen kein reduktives Löschen beobachtet. Dabei wurde die Dynamik der Exzitonen mittels einer soft-modelling Methode Kurvenanalyse aus den Daten der transienten Absorptionsspektroskopie gewonnen. Zuletzt wurden Strukturen mit Cyclopentadithiophen(CPDT)-Baustein untersucht, die eine typische D-π-A Molekülstruktur bilden. FPH224 und 233 zeigten dabei eine bessere Effizienz als FPH231 und 303 aufgrund einer großen Injektionseffizienz (IE) und längerer Lebenszeit der angeregten Zustände. Dies kann auf reduktives Löschen in FPH231 und 303 zurückgeführt werden, wohingegen FPH224 und 233 einen moderaten Zerfall des Spirokationensignals zeigten. This dissertation deals with charge generation and recombination in solid-state dye-sensitized solar cells that use spiro-OMeTAD as a hole conductor. It is divided into three case studies: i.) core-enlarged rylene dyes, ii.) a perylene monoimide dye, and iii.) donor – π spacer (cyclopentadithiophene) – acceptor dyes. Despite high molar extinction coefficients and high absorbance of sensitized films, some of those dye molecules did not show high photovoltaic efficiencies. In order to understand the origin of the poor device performance, broadband ultrafast transient absorption spectroscopy was carried out on solar cell devices.rnSpecifically, the effect of anchor groups, dipole moments, photoluminescence lifetimes, Li cation-sensitivity, and carrier dynamics, which have a significant influence on the power conversion efficiency are investigated. In the first case study, the shortest core-enlarged rylene dye exhibited the highest power conversion efficiency among the other dye molecules due to much longer lifetimes of excited states than the core-extended rylene dye did. The lifetimes further decreased when the maleic acid anchor group underwent ring opening during adsorption onto a mesoporous metal oxide semiconductor surface. This was due to changes in dipole moment between the ground and excited state as calculated by density functional theory (DFT, B3LYP) supporting unfavorable injection upon ring opening of the anhydride anchoring groups by a changed direction of dipole moments. In the second study, a perylene monoimide derivative dye, ID889, showed an efficiency of 4.5% in a solid-state dye-sensitized device. ID889 could generate long-lived dye cations even without the help of an additive; however, after Li cation use, stabilized charge generation and regeneration processes were observed. Furthermore, reductive quenching was not observed in an ID889-sensitized device when a soft-modelling technique, multivariate curve resolution (MCR), was used to determine the dynamics of excitons based on TA data. Last, in cyclopentadithiophene (CPDT) building block dyes with a typical D-π-A molecular structure, FPH224 and 233 showed better power conversion efficiencies in devices than FPH231 and 303 due to high injection efficiency (IE) and long lifetime of the excited state. This appeared to originate from a reductive quenching of FPH231 and 303, whereas FPH224 and 233 exhibited moderate rates of spiro cation decay dynamics.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1505
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-39144
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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