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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 10 / Mathematik und Naturwissenschaften  → Institut für Chemie  → Arbeitsgruppe Makromolekulare Chemie und Molekulare Materialien  → Dissertationen 

Please use this identifier to cite or link to this item: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-2009110330833

Title: Dye-sensitized solar cells based on perylene derivatives
Authors: Noumissing Sao, Chérubin
???metadata.dc.subject.swd???: FarbstoffsolarzelleOrganischer HalbleiterPerylenderivate
???metadata.dc.subject.ddc???: 540 - Chemie (Chemistry and allied sciences)
Issue Date: 3-Nov-2009
Abstract: The oil price rises more and more, and the world energy consumption is projected to expand by 50 percent from 2005 to 2030. Nowadays intensive research is focused on the development of alternative energies. Among them, there are dye-sensitized nanocrystalline solar cells (DSSCs) “the third generation solar cells”. The latter have gained attention during the last decade and are currently subject of intense research in the framework of renewable energies as a low-cost photovoltaic. At present DSSCs with ruthenium based dyes exhibit highest efficiencies (ca 11%). The objective of the present work is to fabricate, characterize and improve the performance of DSSCs based on metal free dyes as sensitizers, especially on perylene derivatives. The work begins by a general introduction to the photovoltaics and dye-sensitized solar cells, such as the operating principles and the characteristics of the DSSCs. Chapter 2 and 3 discuss the state of the art of sensitizers used in DSSCs, present the compounds used as sensitizer in the present work and illustrate practical issues of experimental techniques and device preparation. A comparative study of electrolyte-DSSCs based on P1, P4, P7, P8, P9, and P10 are presented in chapter 4. Experimental results show that the dye structure plays a crucial role in the performance of the devices. The dye based on the spiro-concept (bipolar spiro compound) exhibited a higher efficiency than the non-spiro compounds. The presence of tert-butylpyridine as additive in the electrolyte was found to increase the open circuit voltage and simultaneously decrease the efficiency. The presence of lithium ions in the electrolyte increases both output current and the efficiency. The sensitivity of the dye to cations contained in the electrolyte was investigated in the chapter 5. FT-IR and UV-Vis were used to investigate the in-situ coordination of the cation to the adsorbed dye in the working devices. The open-circuit voltage was found to depend on the number of coordination sites in the dye. P1 with most coordination sites has shown the lowest potential drop, opposite to P7, which is less sensitive to cations in the working cells. A strategy to improve the dye adsorption onto the TiO2 surface, and thus the light harvesting efficiency of the photoanode by UV treatment, is presented in chapter 6. The treatment of the TiO2 film with UV light generates hydroxyl groups and renders the TiO2 surface more and more hydrophilic. The treated TiO2 surface reacts readily with the acid anhydride group of the dye that acts as an anchoring group and improves the dye adsorption. The short-circuit current density and the efficiency of the electrolyte-based dye cells was considerably improved by the UV treatment of the TiO2 film. Solid-state dye-sensitized solar cells (SSDs) based on spiro-MeOTAD (used as hole transport material) are studied in chapter 7. The efficiency of SSDs was globally found to be lower than that of electrolyte-based solar cells. That was due to poor pore filling of the dye-loaded TiO2 film by the spin-coated spiro-MeOTAD and to the significantly slower charge transport in the spiro-MeOTAD compared to the electrolyte redox mediator. However, the presence of the donor moieties in P1 that are structurally similar to spiro-MeOTAD was found to improve the wettability of the P1-loaded TiO2 film. As a consequence the performance of the P1-based solid-state cells is better compared to the cells based on non-spiro compounds.Der Ölpreis erhöht sich immer weiter, und der weltweite Energieverbrauch wird zwischen 2005 und 2030 voraussichtlich um 50% steigen. Daher gibt es derzeit intensive Bemühungen um die Erforschungen und Entwicklung alternativer Energiequellen, unter anderem auch in Richtung farbstoffsensibilisierter nanokristalliner Solarzellen (DSSCs) "Solarzellen der dritten Generation". Letztere haben während der letzten zehn Jahre Aufmerksamkeit erregt und werden derzeit im Zusammenhang mit erneuerbaren Energien als Niedrigpreis-Solaranlagen erforscht. Derzeit zeigen DSSCs auf Basis von Ruthenium-Farbstoffen den höchsten Wirkungsgrad (ca. 11%). Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, DSSCs auf Basis metallfreier Farbstoffe (insbesondere Perylenderivate) als Sensibilisatoren herzustellen, zu charakterisieren und deren Leistungsfähigkeit zu verbessern. Diese Arbeit beginnt mit einer allgemeinen Einführung in die Photovoltaik und über farbstoffsensibilisierte Solarzellen, das Funktionsprinzip und die Kennlinien der DSSCs. Kapitel 2 und 3 diskutieren den Stand der Technik von Sensibilisatoren, die in DSSCs verwendet werden, stellen die für die vorliegenden Arbeit als Sensibilisatoren benutzten Verbindungen vor und erörtert praktische Fragen zu experimentellen Techniken und der Solarzellenherstellung. Eine vergleichende Studie der Elektrolyt-DSSCs basierend auf den Farbstoffen P1, P4, P7, P8, P9 und P10 wird in Kapitel 4 vorgestellt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Struktur des Farbstoffes eine entscheidende Rolle für die Leistung der Solarzellen spielt. Der auf dem Spiro-Konzept basierende Farbstoff (bipolare Spiroverbindung) zeigte einen höheren Wirkungsgrad als Verbindungen ohne Spiroverknüpfung. Es wurde festgestellt, dass die Anwesenheit von tert-Butylpyridin als Zusatzstoff im Elektrolyt die Leerlaufspannung erhöht und gleichzeitig den Wirkungsgrad senkt, während die Gegenwart von Lithium-Ionen sowohl Kursschlussstromdichte als auch Wirkungsgrad erhöht. Die Empfindlichkeit des adsorbierten Farbstoffes auf im Elektrolyten enthaltene Kationen wird in Kapitel 5 untersucht. Um die Koordination von Kationen am adsorbierten Farbstoff in-situ in den Solarzellen zu überprüfen, wurde FT-IR und UV-Vis-Spektroskopie angewendet. Es wurde festgestellt, dass die Leerlaufspannung von der Anzahl der Koordinationsstellen am Farbstoffmolekül abhängt. P1 mit den meisten Koordinationsstellen zeigte im Gegensatz zu Farbstoff P7 den niedrigsten Spannungsabfall, während P7 weniger empfindlich auf Kation in den Zellen reagierte. Eine Strategie, um die Adsorption der Farbstoffe an der TiO2-Oberfläche und somit die Lichtsammeleffizienz der Photoanode durch UV-Behandlung zu verbessern, wird in Kapitel 6 vorgestellt. Die Behandlung des TiO2-Films mit UV-Licht erzeugt Hydroxylgruppen auf der TiO2-Oberfläche und macht sie dadurch hydrophiler. Die behandelte TiO2-Oberfläche reagiert leicht mit Säureanhydriden als Ankergruppen und verbessert die Farbstoffadsorption. Die Kurzschluss-Stromdichte und der Wirkungsgrad der Elektrolyt-basierte Zellen mit UV-Behandlung des TiO2-Films zeigen eine erhebliche Verbesserung. In Kapitel 7 werden Festkörper farbstoffsensibilisierte Solarzellen (SSDs) auf Basis von spiro-MeOTAD als Lochtransportmaterial untersucht. Die Effizienz der SSDs ist geringer als die der Elektrolyt-Zellen. Der Grund hierfür ist die schlechte Porenfüllung der Photoanode mit dem aufgeschleuderten spiro-MeOTAD und der dadurch deutlich langsamere Ladungstransport in der spiro-MeOTAD-Schicht verglichen mit dem Elektrolyten als Redoxmediator. Allerdings führte die strukturelle Ähnlichkeit der Donorgruppen in P1 mit spiro-MeOTAD zu einer besseren Benetzungbarkeit des farbstoffbeladenen TiO2-Films. Als Folge davon ist die Leistung der P1 enthaltenden SSDs besser als die von Solarzellen, die auf Verbindungen ohne Spiroverknüpfung basieren.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2009110330833
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