Authors:	Cheng, Yajun
Title:	Thin nanostructured crystalline TiO 2 films and their applications in solar cells
Online publication date:	17-Dec-2007
Year of first publication:	2007
Language:	english
Abstract:	Research on thin nanostructured crystalline TiO2 films has attracted considerable interests because of their intriguing physical properties and potential applications in photovoltaics. Nanostructured TiO2 film plays an important role in the TiO2 based dye-sensitized solar cells because they act as a substrate for the adsorption of dye molecules and a matrix for the transportation of electrons as well. Thus they can influence the solar cell performance significantly. Consequently, the control of the morphology including the shape, size and size distribution of the TiO2 nanostructures is critical to tune and optimize the performance of the solar cells. To control the TiO2 morphology, a strategy using amphiphilic block copolymer as templating agent coupled with sol-gel chemistry has been applied. Especially, a good-poor solvent pair induced phase separation process has been developed to guide the microphase separation behavior of the block copolymers. The amphiphilic block copolymers used include polystyrene-block-poly (ethylene oxide) (PS-b-PEO), poly (methyl methacrylate)-block-poly (ethylene oxide) (PMMA-b-PEO), and poly (ethylene oxide)-block-polystyrene-block-poly (ethylene oxide) (PEO-b-PS-b-PEO). The block copolymer undergoes a good-poor-solvent pair induced phase separation in a mixed solution of 1, 4-dioxane or N, N’-dimethyl formamide (DMF), concentrated hydrochloric acid (HCl) and Titanium tetraisopropoxide (TTIP). Specifically, in the system of PS-b-PEO, a morphology phase diagram of the inorganic-copolymer composite films was mapped by adjusting the weight fractions among 1, 4-dioxane, HCl, and TTIP in solution. The amorphous TiO2 within the titania-block copolymer composite films was crystallized by calcination at temperatures above 400C, where the organic block copolymer was simultaneously burned away. This strategy is further extended to other amphiphilic block copolymers of PMMA-b-PEO and PEO-b-PS-b-PEO, where the morphology of TiO2 films can also be controlled. The local and long range structures of the titania films were investigated by the combination of imaging techniques (AFM, SEM) and x-ray scattering techniques (x-ray reflectivity and grazing incidence small-angle x-ray scattering). Based on the knowledge of the morphology control, the crystalline TiO2 nanostructured films with different morphologies were introduced into solid state dye-sensitized solar cells. It has been found that all of the morphologies help to improve the performance of the solar cells. Especially, clustered nanoparticles, worm-like structures, foam-like structures, large collapsed nanovesicles show more pronounced performance improvement than other morphologies such as nanowires, flakes, and nanogranulars. Forschung an dünnen, kristallinen TiO2-Filmen hat wegen der faszinierenden physikalischen Eigenschaften beachtenswertes Interesse auf sich gezogen. Nanostrukturierte TiO2-Filme spielen eine wichtige Rolle in der auf TiO2 basierenden Farbstoff-Sensibilisierten Solarzelle, da sie als Substrat für die Adsorption der Farbstoffmoleküle und als Matrix für den Elektronentransport fungieren können. Sie haben daher großen Einfluss auf die Arbeitsleistung der Solarzelle. Folglich ist die Kontrolle der Morphologie, welche Form, Größe und Größenverteilung der TiO2-Nanostrukturen beinhaltet, zu optimieren. Es wurde eine Strategie entwickelt, die den Einsatz von amphiphilen Block-Copolymeren als Maske mit Sole-Gel-Chemie verknüpft, um die TiO2-Morphologie zu kontrollieren. In erster Linie wurde ein Lösungsmittelgemisch aus einem guten und einem schlechten Lösungsmittel für den jeweils betrachteten Block zusammengestellt, welches eine effektive Steuerung des Mikrophasen-Trennungsverhaltens der Block-Copolymere erlaubt. Bei den verwendeten amphiphilen Block-Copolymeren handelte es sich neben Poly(styrol)-block-Poly(ethylenoxid) (PS-b-PEO) um Poly(methylmethacrylat)-block-Poly(ethylenoxid) (PMMA-b-PEO) und Poly(ethylenoxid)-block-Poly(styrol)-block-Poly(ethylenoxid) (PEO-b-PS-b-PEO). Das Block-Copolymer zeigt eine Phasenseparation auf Grund des Lösungsmittelgemisches, bestehend aus einem guten Lösungsmittel und einem schlechten Lösungsmittel für den jeweils betrachteten Block bestehend aus 1,4-Dioxan und N,N´-Dimethylfomamid (DMF), das daneben auch noch konzentrierter Salzsäure (HCl) und Titantetraisopropoxid (TTIP) enthält. Ins Besondere wurde für das PS-b-PEO System ein Phasendiagramm aufgenommen, wobei Gewichtsfraktion von 1,4-Dioxan zu HCl und TTIP variiert wurde. Die amorphen TiO2-Partikel die aus diesen Lösungen erhalten wurden, konnte durch Kalzinierung bei Temperaturen über 400°C in die kristalline Form überführt werden. Hierbei wird gleichzeitig das organische Block-Copolymer verbrannt. Diese Strategie wurde zudem auf die anderen, bereits erwähnten, amphiphilen Block-Copolymere, bei denen ebenso die Morphologie der TiO2-Filme auf diese Weise kontrolliert werden kann, angewendet. Die lokalen und längerreichweitigen Strukturen der Titania-Partikel wurden mit einer Kombination von abbildenden Techniken (AFM, SEM) und Röntgenstreutechniken (Röntgenreflektometrie und GI-Kleinwinkel Röntgenstreuung) aufgeklärt. Die kristallinen TiO2-nanostrukturierten Filme mit den unterschiedlichen Morphologien wurden in eine Festphasen-Farbstoffsensibilisierten Solarzelle eingebunden. Es wurde festgestellt, dass die Kontrolle der Morphologie die Arbeitsleistung der Solarzelle verbessert. Dabei zeigen gebündelte Nanopartikel, wurmartige Strukturen, schwammartige Strukturen und große kollabierte Nanovesikel eine ausgeprägtere Erhöhung der Arbeitsleistung im Vergleich zu den anderen Morphologien wie Nanodrähte, Flocken und Nanokörner.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics
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-1701
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-14857
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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