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Spektroskopische Charakterisierung von farbstoffsensibilisierten Solarzellen

Völker, Barbara

English Title: Spectroscopical characterisation of dye sensitized solar cells

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Abstract

Die Beschreibung und das Verständnis einzelner Prozess-Schritte bei der Herstellung einer farbstoffsensibilisierten Solarzelle ist ein entscheidender Vorgang zur systematischen Weiterentwicklung derselben. Für eine erfolgreiche industrielle Anwendung sind einerseits die systematische Steigerung des Wirkungsgrades und die zuverlässige Kontrolle der einzelnen Prozessschritte notwendig, andererseits ist die Erhöhung der Lebensdauer von einigen Tagen bis Monaten auf mehrere Jahre unabdingbar. Um dies zu ermöglichen, wird im Rahmen dieser Arbeit zunächst eine analytische Methode entwickelt, um die Herstellung der farbstoffsensibilisierten Solarzelle konsequent zu beleuchten. Es muss realisierbar sein, die molekularen Zusammenhänge zu beschreiben und gleichzeitig Rückschlüsse auf die Zellfunktion zu ermöglichen. Aus diesem Grund wird aus der Prozess-Kette der farbstoffsensibilisierten Solarzelle der wichtige Schritt der Infiltration des Farbstoffs in das poröse System genau untersucht. Die Anbindung des Farbstoffs an poröses Titandioxid ist ausschlaggebend für die Übertragung von Elektronen. Um diesen Herstellungsschritt zu untersuchen wurde überwiegend die Methode der ATR-IR-Spektroskopie eingesetzt. Eine optimierte ATR-IR-Durchflusszelle ermöglicht dabei zeitaufgelöste Untersuchungen der Anbindungsreaktion in einem Vakuum-Spektrometer. Mit Hilfe der Transmissions-Spektroskopie auf Silizium-Wafern können Charakteristika des porösen Titandioxids exakt aufgelöst und die Art der Anbindung von Farbstoffen auf Titandioxid analysiert werden. Die experimentell ermittelten Daten wurden durch eine theoretische Beschreibung und eine Simulation der IR-Absorption in Abhängigkeit der Zeit gestützt. Ein weiterer Schritt ist die Korrelation aller spektroskopisch ermittelten Daten mit elektrischen Daten der entsprechenden Solarzelle. Durch die gezielte Auswahl strukturähnlicher Farbstoffe wurde sowohl der Einfluss der Anker- und Seitengruppe als auch der des Grundgerüstes untersucht. So ist sowohl eine frühe Prozesskontrolle als auch eine systematische Weiterentwicklung der farbstoffsensibilisierten Solarzelle.

Translation of abstract (English)

The characterisation and understanding of single process steps in the production of dye sensitised solar cells is a crucial step towards systematic development of this so called „third generation solar cells“. The systematic increase of efficiency and the reliable control of the process steps on the one hand, and the rise of lifetime from some days or months up to several years on the other hand, are indispensable for a successful industrial application. To achieve this goal, within this thesis an analytic method is developed to investigate the production of dye sensitised solar cells. It must be possible to describe the molecular coherences and to gain insights into cell function at the same time. To start with this approach, the important step of dye infiltration into the porous system was picked out of the process chain. This step includes high potential with regards to the improvement of the cell and the production process itself. The linkage of dye molecules onto porous titanium dioxide is decisive for the transfer of electrons. A detailed knowledge of the processes on a molecular basis allows not just the improvement of efficiency but also an effective protection from possible degradation. For the examination of this production step, the IR-spectroscopic method of ATR-IRspectroscopy is used. In an optimised ATR-IR-flow-through cell, in situ investigations of dye adsorption is done in a vacuum spectrometer. In combination with transmission experiments on silicon wafers, the characteristics of the porous titanium dioxide can be analysed in detail and the linkage of dye onto titanium dioxide can be detected. The experimentally received data are substantiated by a simulation of the IR absorption in dependence of the reaction time. Another important step is the correlation of spectroscopic data with electric data of the appropriate solar cell. The influence of anchor and side group as well as that of the base frame is examined via systematic selection of dyes similar in molecular structure.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bürgi, Prof. Dr. Thomas
Date of thesis defense: 25. April 2012
Date Deposited: 14. Jun 2012 14:35
Date: 2012
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Farbstoffsolarzelle, Organische Solarzelle, Organische Photovoltaik, Infrarotspektroskopie, ATR-Technik, Raman-Spektroskopie
Uncontrolled Keywords: dye sensitized solar cell, organic photovoltaic, infrared-spectroscopy, ATR-IR-spectroscopy, RAMAN-spectroscopy
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