Nutzung von Zinkoxid-Schichten in farbstoffsensibilisierten Festkörpersolarzellen

Abstract

Für die Nutzung von ZnO in farbstoffsensibilisierten Festkörpersolarzellen wurden angepasste kompakte und nanoporöse ZnO-Schichten für die Verwendung des organischen Lochleiters spiro-OMeTAD benötigt. Zur Realisierung dieses Ziels wurden die experimentellen Rahmenbedingungen der elektrochemischen Abscheidung überprüft, Einflüsse auf die Abscheidung analysiert und der Abscheideprozess optimiert, sodass ZnO-Schichten mit hoher Reproduzierbarkeit und guter Schichtqualität abgeschieden werden konnten. Anschließend wurde an unter optimierten Bedingungen abgeschiedenen und farbstoffsensibilisierten ZnO-Schichten die Homogenität der von sichtbaren Licht induzierten Photospannung mittels der Kelvin-Rasterkraftmikroskopie gezeigt. Darüber hinaus wurde die lichtinduzierte Änderung der Photospannung zeitabhängig analysiert. Schnelle Änderungen der Photospannung wurden analysiert indem die deutliche höhere zeitliche Auflösung innerhalb eines Linienscans genutzt wurde. Untersuchungen an farbstoffsensibilisierten Solarzellen mit Elektrolytkontakt zeigten den Einfluss auf die Transporteigenschaften der ZnO-Schichten bei einer Veränderung des Anions in der Abscheidelösung. Zudem verifizierten diese Solarzellen die erreichte Qualität des elektrochemisch abgeschiedenen ZnO. Auf diesen Ergebnissen aufbauend wurde das Kontaktverhalten verschiedener elektrochemisch abgeschiedener und nicht elektrochemisch abgeschiedener ZnO-Schichten mit spiro-OMeTAD untersucht. Über die elektrochemische Abscheidung wurden kompakte ZnO-Schichten hergestellt, die hervorragend sperrende und gleichrichtende Eigenschaften im Vergleich zu TiO2-Referenzschichten besitzen. Eine Anpassung der porösen ZnO-Struktur wurde durch den Einsatz verschiedener strukturdirigierender Agenzien durchgeführt. Mit einer Mischung der strukturdirigierenden Agenzien EosinY und Cetyltrimethylammoniumbromid konnte eine nanoporöse ZnO-Struktur mit Poren im Bereich von 20 bis 25 nm etabliert werden, die für den Lochleiter eine gut zugängliche Oberflächentopographie bietet.Durch die Güte der kompakten ZnO-Schichten und die an den Lochleiter spiro-OMeTAD angepassten Porenstruktur der porösen ZnO-Schichten wurde für farbstoffsensibilisierte ZnO-Festkörpersolarzellen die bisher höchste Effizienz mit einem Wirkungsgrad von 0,95 % erreicht. Im Hinblick auf die Nutzung von flexiblen Festkörpersolarzellen wurde die Übertragung der Ergebnisse auf Textilien untersucht.

For the utilization of ZnO in solid-state dye-sensitized solar cells compact and porous ZnO layers were adapted for the application of the organic hole conductor spiro-OMeTAD. To achieve this goal, the experimental framework conditions of the electrochemical deposition were revised, influences on the deposition were analyzed and the deposition routine was optimized. With this background it was possible to deposit ZnO layers of high reproducibility and good film quality. Subsequently, photo-kelvin atomic force microscopy was used to show the homogeneity of light induced photovoltage of dye-sensitized ZnO layers prepared under the optimized conditions. Further, the generation and decay of photovoltage under pulsed illumination was studied over time. Fast changes of the photovoltage were analyzed within a line scan utilizing the significantly increased time resolution. Studies on dye-sensitized solar cells containing an electrolyte revealed the influence of the anion in the deposition bath on the transport properties of ZnO. Additionally, they served as verification for the achieved quality of electrodeposited ZnO. Based on these findings, the contact behaviour of different electrochemical deposited and non-electrochemical deposited ZnO layers were investigated. The electrochemical deposition enabled to prepare excellent blocking and rectifying compact ZnO layers in comparison to TiO$_2$ reference layers. Adaption of the porous ZnO structure was carried out by the use of different structure directing agents. A porous ZnO structure with pores sizes of about 20 to 25 nm was created by a mixture of the structure directing agents EosinY and Cetyltrimethylammoniumbromid. Thus, a good accessible surface topography for the hole conductor was achieved.The high quality of the prepared compact ZnO layer and the pore structure of the porous ZnO layer which was adapted to spiro-OMeTAD empowered to achieve the highest efficiency for ZnO-based solid-state dye-sensitized solar cells of 0.95 %. In view of a utilization of flexible solid-state solar cells, a transfer of the findings to textiles was investigated.