Ladungstragertransport in farbstoffsensibilisierten Solarzellen auf Basis von nanoporoesem TiO2

Doktorarbeit / Dissertation aus dem Jahr 2003 im Fachbereich Energiewissenschaften, Note: 1,0, Universität Stuttgart (Elektrotechnik, Physikalische Elektronik), Sprache: Deutsch, Abstract: Inhaltsangabe:Zusammenfassung:§Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Herstellung und der elektrischen Charakterisierung farbstoffsensibilisierter Solarzellen (FSSZ), die zum einen mit dem flüssigen Iodid/Triiodid-Redoxelektrolyt, zum anderen mit einem organischen Festkörperlochleiter arbeiten. Entlang des Weges eines am Frontkontakt injizierten Elektrons untersuche und modelliere ich vier verschiedene funktionale Prozesse an den Grenzschichten und in den einzelnen Medien. Dabei vergleiche ich teilweise die beiden FSSZ-Typen miteinander.§Der Einfluss des Frontkontaktmaterials auf die Extraktion photogenerierter Elektronen bildet den ersten Schwerpunkt der Arbeit. Das effektive Banddiagramm der FSSZ im thermodynamischen Gleichgewicht zeigt, dass sich am Frontkontakt eine eingebaute Spannung aufbaut, die vom verwendeten Kontaktmaterial abhängt. Eine im Experiment vorgenommene Variation der Frontkontaktmaterialien in der FSSZ modifiziert aufgrund der unterschiedlichen Austrittsarbeiten die eingebaute Spannung. Die Größe der eingebauten Spannung am Frontkontakt wirkt sich wenig auf die Leerlaufspannung des Bauelements aus, sondern spiegelt sich vor allem in der Form der I/V-Kurven wider.§Den zweiten Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Admittanzspektroskopie der FSSZ. Entsprechend der Theorie der klassischen Diffusionsadmittanz am pn-Übergang bestimmt die Diffusion von Elektronen im Titandioxid die Admittanz der Elektrolyt-FSSZ. Im Falle der Festkörper-FSSZ zeigt die Analyse der Admittanzdaten negative Kapazitätswerte, gleichbedeutend einer Induktivität.§Die Auswertung von I/V-Kennlinien der beiden verwendeten FSSZ-Typen zeigt, dass die Leerlaufspannung der Festkörper-FSSZ parallel zur Titandioxid-Schichtdicke d zunimmt. Die Elektrolyt-FSSZ verhält sich konträr dazu und damit im Sinne konventioneller Solarzellen normal. Um die besondere Abhängigkeit für den Fall des organischen Lochleiters zu erklären, wird ein quantitatives Modell entwickelt.§Einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Untersuchung und Modellierung des Ionentransports in der Elektrolyt-FSSZ. Mit Hilfe eines der realen Solarzelle ähnlichen Bauelements, bei dem sich die poröse Titandioxidstruktur direkt auf einer Platin-Frontelektrode befindet, werden die limitierenden Diffusionsstromdichten bestimmt. Parallel dazu wird ein detailliertes Modell erstellt, welches die seriell verknüpften Diffusionsprozesse im porösen Medium und im Elektrolytvolumen berücksichtigt. Durch Anpassung der experimentellen Daten, an die Theorie, erhält man schließlich die Triiodiddiffusionskonstante im Volumen und eine effektive Diffusionskonstante im nanoporösen Medium. Zusätzlich lässt sich ein auf die jeweilige FSSZ angepasstes, optimales Verhältnis zwischen der Dicke der Titandioxid-Schicht und der des Elektrolytvolumens, sowie eine optimale Triiodidkonzentration im Elektrolyt berechnen.§Abstract:§This thesis describes preparation and electrical characterization of dye-sensitized solar cells (DSSC), that use either liquid electrolyte on basis of the iodide/triiodide-redox-couple or an organic solid-state hole conductor. Four functional electronic or ionic transport processes in DSSCs across interfaces or inside different media of the DSSC are investigated. Where possible, the two types of DSSC are compared.§The first part of the thesis concentrates on the influence of the front-contact material on electron extraction from the titanium dioxide into the front-contact. The band-diagram of the DSSC in thermodynamic equilibrium exhibits a built-in voltage at the front-contact. This voltage depends on the work function of the front-electrode material. Front-contact materials of different work functions ...