Neuartige Elektrolytsysteme für Grätzel-Solarzellen: Mechanismen des Iod- und Ladungstransports

• Antragsteller: Professor Dr. Nicolaas A. Stolwijk (†)
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 180559249

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Dieses Projekt richtete sich auf wichtige Eigenschaften des Ionentransports in Polymerelektrolyten mit potenzieller Anwendung für Grätzel-Solarzellen. Die hergestellten Elektrolyten bestanden in den meisten Fällen aus einer langkettigen Polyethylenoxid(PEO)-Matrix mit einer gelösten ionischen Flüssigkeit (IL) auf der Basis des Iod-Anions und eines großen organischen Kations. Schwerpunktmäßig wurde der Einfluss einer Zugabe von reinem Iod, die für die Wirkung der Solarzelle unerlässlich ist, auf die Gesamtionenleitfähigkeit sowie auf die Diffusion der Anionen und Kationen untersucht. Darüber hinaus konzentrierten sich die Projektarbeiten auf die Unterschiede zwischen den neuartigen Polymer-IL-Systemen und den klassischen Polymerelektrolyten mit anorganischen Iodidsalzen. Wichtige Voraussetzung für die Durchführung der Untersuchungen war die einzigartige Verfügbarkeit von drei experimentellen Methoden: die elektrochemische Impedanz-Spektroskopie, die Feldgradienten- Kernspinresonanz (PFG-NMR) und das Radiotracer-Diffusionsverfahren. Die erzielten Ergebnisse können wie folgt zusammengefasst werden: • Der spezielle Projektansatz liefert neue und detaillierte Informationen über den Ionentransport, welche die Resultate aus den üblichen elektrochemischen Messungen in hohem Maße ergänzen. • Der Einsatz von geeigneten Ionenflüssigkeiten als Iodidsalz in Polymerelektrolyten ermöglicht die Erweiterung des Zusammensetzungsbereichs von „IL-in-Polymer“ zu „Polymer-in-IL“, was mit einer erheblichen Zunahme des technologisch relevanten Iod-Transports einhergeht. • Entgegen der Erwartung sind die Transportanteile von Kation-Anion-Paaren in den neuartigen Polymer-IL-Systemen auf Iodidbasis beträchtlich groß, jedoch kleiner als in vergleichbaren klassischen Polymerelektrolyten. • Die Zugabe des elementaren Iods zu Iodsalz-basierten Polymerelektrolyten führt zu einer verringerten Bildung neutraler Ionenpaare, was wiederum eine Beschleunigung des Ladungstransports bewirkt. • Der in der Literatur bevorzugte Grotthuß-ähnliche Mechanismus des Iod- und Ladungstransports spielt in entsprechenden Polymerelektrolyten mit niedrigen Salzkonzentrationen keine signifikante Rolle. • Erstmalig wurden an Polymer-IL-Elektrolyten Messungen des Ladungs- und Iod- Transports mittels der Cyclovoltammetrie in Abhängigkeit von der Temperatur durchgeführt. Der Vergleich mit den Ergebnissen aus direkten Diffusionsmessungen an den gleichen Proben zeigt eine gute Übereinstimmung. Insgesamt geben die Projektergebnisse wichtige Hinweise für die Weiterentwicklung von leistungsfähigen Elektrolyten für Grätzel-Solarzellen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Impact of I2 Additions on Iodide Transport in Polymer Electrolytes for Dye-Sensitized Solar Cells: Reduced Pair Formation versus a Grotthuss-Like Mechanism J. Phys. Chem. Lett. 1 (2010) 2088-2093; Correction: J. Phys. Chem. Lett. 1, (2010) 3213–3213
  F. Call, N.A. Stolwijk
  
• The Use of Radiotracer Diffusion to Investigate Ionic Transport in Polymer Electrolytes: Examples, Effects, and Their Evaluation. Z. Phys. Chem. 234 (2010) 1707-1733
  N.A. Stolwijk, M. Wiencierz, J. Fögeling, J. Bastek, Sh. Obeidi
  
• Ionic Transport in Polymer Electrolytes Based on PEO and the PMImI Ionic Liquid: Effects of Salt Concentration and Iodine Addition. J. Phys. Chem. B 116 (2012) 8290-8298
  T. Eschen, J. Kösters, M. Schönhoff, N.A. Stolwijk
  
• Systematics of Ionic Transport and Pair Formation in Amorphous PEO-NaI Polymer Electrolytes. Solid State Ionics 212 (2012) 88-99; SSI Best Paper Prize 2012
  M. Wiencierz, N.A. Stolwijk
  
• What can we learn from ionic conductivity measurements in polymer electrolytes? A case study on poly(ethylene oxide) (PEO)-NaI and PEO-LiTFSI. J. Phys. Chem. B 116 (2012) 3065 - 3074
  Stolwijk NA, Wiencierz M, Heddier C, Kösters J
  
• Ion Transport Effects in a Solid Polymer Electrolyte Due to Salt Substitution and Addition Using an Ionic Liquid. J. Phys. Chem. B 117 (2013) 2527-2534
  J. Kösters, M. Schönhoff, N.A. Stolwijk
  
• On the Extraction of Ion Association Data and Transference Numbers from Ionic Diffusivity and Conductivity Data in Polymer Electrolytes. Electrochimica Acta 102 (2013) 451-458
  N.A. Stolwijk, J. Kösters, M. Wiencierz, M. Schönhoff
  
• Salt-Concentration Dependence of the Glass Transition Temperature in PEO-NaI and PEO-LiTFSI Polymer Electrolytes. Macromolecules 46 (2013) 8580-8588
  N.A. Stolwijk, Chr. Heddier, M. Reschke, M. Wiencierz, J. Bokeloh, G. Wilde
  
• Mass and Charge Transport in the Polymer−Ionic-Liquid System PEO−EMImI: From Ionic-Liquid-in-Polymer to Polymer-in-Ionic-Liquid Electrolytes. J. Phys. Chem. B 119 (2015) 5693-5700
  J. Kösters, M. Schönhoff, N.A. Stolwijk