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Authors: Meister, Michael
Title: Charge generation and recombination in hybrid organic,inorganic solar cells
Online publication date: 7-Nov-2013
Language: english
Abstract: This thesis deals with the investigation of exciton and charge dynamics in hybrid solar cells by time-resolved optical spectroscopy. Quasi-steady-state and transient absorption spectroscopy, as well as time-resolved photoluminescence spectroscopy, were employed to study charge generation and recombination in solid-state organic dye-sensitized solar cells, where the commonly used liquid electrolyte is replaced by an organic solid hole transporter, namely 2,2â ²7,7â ²-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)-9,9â ²-spirobifluorene (spiro-MeOTAD), and polymer-metal oxide bulk heterojunction solar cells, where the commonly used fullerene acceptor [6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM) is replaced by zinc oxide (ZnO) nanoparticles. By correlating the spectroscopic results with the photovoltaic performance, efficiency-limiting processes and processes leading to photocurrent generation in the investigated systems are revealed. rnIt is shown that the charge generation from several all-organic donor-Ï -bridge-acceptor dyes, specifically perylene monoimide derivatives, employed in solid-state dye-sensitized solar cells, is strongly dependent on the presence of a commonly used additive lithium bis(trifluoromethanesulphonyl)imide salt (Li-TFSI) at the interface. rnMoreover, it is shown that charges can not only be generated by electron injection from the excited dye into the TiO2 acceptor and subsequent regeneration of the dye cation by the hole transporter, but also by an alternative mechanism, called preceding hole transfer (or reductive quenching). Here, the excited dye is first reduced by the hole transporter and the thereby formed anion subsequently injects an electron into the titania. This additional charge generation process, which is only possible for solid hole transporters, helps to overcome injection problems. rnHowever, a severe disadvantage of solid-state dye-sensitized solar cells is re-vealed by monitoring the transient Stark effect on dye molecules at the inter-face induced by the electric field between electrons and holes. The attraction between the negative image charge present in TiO2, which is induced by the positive charge carrier in the hole transporter due to the dielectric contrast between the organic spiro-MeOTAD and inorganic titania, is sufficient to at-tract the hole back to the interface, thereby increasing recombination and suppressing the extraction of free charges.rnBy investigating the effect of different dye structures and physical properties on charge generation and recombination, design rules and guidelines for the further advancement of solid-state dye-sensitized solar cells are proposed.rnFinally, a spectroscopic study on polymer:ZnO bulk heterojunction hybrid solar cells, employing different surfactants attached to the metal oxide nanoparticles, was performed to understand the effect of surfactants upon photovoltaic behavior. By applying a parallel pool analysis on the transient absorption data, it is shown that suppressing fast recombination while simultaneously maintaining the exciton splitting efficiency by the right choice of surfactants leads to better photovoltaic performances. Suppressing the fast recombination completely, whilst maintaining the exciton splitting, could lead to a doubling of the power conversion efficiency of this type of solar cell.
In dieser Arbeit wurde die Dynamik von Exzitonen und Ladungen in hybriden Solarzellen mittels zeitaufgelöster optischer Spektroskopie untersucht. Insbesondere kamen quasi-Gleichgewichts- und transiente Absorptions-spektroskopie sowie zeitaufgelöste Photolumineszenzspektroskopie zum Ein-satz, um die Ladungsträgergeneration und rekombination in Feststoff-Farbstoffsolarzellen zu untersuchen, bei welchen der häufig verwendete Flüs-sigelektrolyt durch den organischen Lochtransporter 2,2â ²7,7â ²-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenylamin)-9,9â ²-spirobifluoren (spiro-MeOTAD) ersetzt wurde. Weiterhin wurden Polymer:Metalloxid Hybridsolarzellen, bei welchen der in organischen Solarzellen übliche Fulleren-Akzeptor (6,6)-Phenyl-C61-Butyrsäure-methylester (PCBM) durch Zinkoxid (ZnO) Nanopartikel ersetzt wurde, untersucht. Die Korrelation der spektroskopischen Ergebnisse mit der photovoltaischen Effizienz ermöglichte es die effizienzlimitierenden Prozesse und die Prozesse, welche zur Fotostromerzeugung führen, zu identifizieren.rnDabei wurde deutlich, dass die Ladungsträgergeneration verschiedener Donor-Akzeptor-Farbstoffe, insbesondere von Perylen-Monoimid Derivaten, in Feststoff-Farbstoffsolarzellen stark von der Anwesenheit des Additivs Lithium bis(trifluoromethansulphonyl)imid (Li-TFSI) an der Grenzfläche abhängt.rnDarüber hinaus wurde ein zum üblichen Ladungsgenerationsmechanismus alternativer Reaktionsweg untersucht, der sogenannte vorgezogene Lochtransfer, auch reduktives Löschen genannt (preceding hole transfer oder reductive quenching). Hierbei werden Ladungen nicht wie herkömmlich durch Elek¬troneninjektion vom angeregten Farbstoff in den TiO2-Akzeptor und nachfolgende Regeneration des Farbstoffkations erzeugt, sondern der angeregte Farbstoff wird zunächst durch den Lochtransporter reduziert und das dadurch erzeugte Farbstoffanion injiziert daraufhin ein Elektron in das Metalloxid. Dieser zusätzliche Ladungsgenerationsmechanismus ist nur bei Verwendung fester Lochleiter möglich und es konnte gezeigt werden, dass er durchaus zur Ladungsgeneration und damit zur Überwindung von Injektionsproblemen beiträgt.rnEin großer Nachteil fester organischer Lochleiter konnte indes auch identifi-ziert werden. Die Beobachtung des transienten Starkeffekts von Farbstoffmo-lekülen an der Grenzfläche zwischen Lochleiter und Titandioxid, hervorgeru-fen durch das elektrische Feld zwischen Elektronen und Löchern, zeigte, dass die Anziehungskraft zwischen der negativen Bildladung im TiO2, hervorgeru-fen durch die positive Ladung (das Loch) im Lochleiter und den dielektrischen Kontrast zwischen dem organischen spiro-MeOTAD und dem anorganischen Titandioxid, bereits genügt, um den positiven Ladungsträger zurück zur Grenzfläche zu ziehen. Dieser Effekt verstärkt die Rekombination und unterdrückt somit die Extraktion von Ladungen.rnDurch die Untersuchung der Auswirkung verschiedener Farbstoffstrukturen und deren physikalischer Eigenschaften auf die Ladungsträgergeneration und â rekombination wurden weiterhin Struktur-Eigenschafts-Beziehungen erar-beitet und Richtlinien für die Weiterentwicklung von Feststoff-Farbstoffsolarzellen entwickelt.rnZu guter Letzt wurden Polymer:ZnO Bulk-Heterojunction Hybridsolarzellen mit verschiedenen an die Metalloxidnanopartikel gebundenen Tensiden spektroskopisch untersucht, um deren unterschiedliches photovoltaisches Verhalten zu verstehen. Mit Hilfe einer Parallel-Pool-Analyse der mit transienter Absorptionsspektroskopie erhaltenen Daten konnte gezeigt werden, dass das Unterdrücken schneller Rekombination bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Exzitonen-Trennungseffizienz durch die Tenside zu einem höheren Fotostrom führt. Die gänzliche Unterdrückung der schnellen Rekombination, bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Exzitonen-Trennung, würde zu einer Verdopplung der Effizienz bei dieser Art von Solarzellen führen.
DDC: 530 Physik
530 Physics
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-1766
URN: urn:nbn:de:hebis:77-35500
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 234 S.
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