Preparation and photoelectrochemical properties of nanoporous p-type semiconductor films for dye-sensitized p-n solar cells
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Vorhaben wurden elektrochemisch abgeschiedene p-typische CuSCN-Halbleiterfilme im Hinblick auf den Einsatz des Materials in farbstoffsensibilisierten p-n-Solarzellen untersucht. Ziel ist hierbei der Ersatz des flüssigen Redox-Elektrotyten in herkömmlichen Farbstoffsolarzellen durch einen festen Lochleiter, um bestehende Probleme mit der Versiegelung der Farbstoffsolarzellen gegen Austrocknung zu umgehen. Durch Variation des Abscheidungspotentials, der Abscheidungszeit, der Temperatur sowie der für die Abscheidungslösung verwendeten Precursor-Salze und Lösungsmittel konnten CuSCN-Filme mit unterschiedlichen Morphologien abgeschieden werden. Diese wurden in frequenzaufgelösten photoelektrochemischen Messungen (Intensity Modulated Photocurrent /-voltage Spectroscopy, IMPS/IMVS) und mit Hilfe der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) untersucht. IMPS/IMVS-Messungen dienen hauptsächlich zur Untersuchung des Transportes und der Rekombination von photogenerierten Ladungsträgern. Bei allen elektrochemisch abgeschiedenen CuSCN-Filmen wurde hierbei eine Lebensdauer der photogenerierten Löcher gefunden, die um mindestens eine Größenordnung über der für den Lochtransport durch die Schicht erforderliche Zeit lag. Dies ist gleichbedeutend mit einer Rekombinationsrate von maximal 10 %, was die Eignung des Materials für den Einsatz in Farbstoff Solarzellen beweist. Die absoluten Lebensdauern und Transportzeiten unterschieden sich jedoch von Film zu Film, wobei die Unterschiede durch die unterschiedlichen Filmmorphologien und unterschiedliche Dotierungen, die aus den EIS-Messungen über Mott-Schottky-Plots ermittelt wurden, erklärt werden konnten. So führen zum Beispiel eine höhere Dotierung und eine höhere Kompaktheit der CuSCN-Filme zu schnellerem Lochtransport. Die letztgenannte Beobachtung kann dadurch erklärt werden, dass zusätzlich zum Ladungstransport durch Diffusion auch die Migration im elektrischen Feld eine Rolle spielt, während das elektrische Feld in einem poröseren Film durch den in den Poren vorhandenen Elektrolyten kompensiert wird. Zum Abschluss des Projektes wurden p-n-Farbstoffsolarzellen aus ZnO und CuSCN präpariert und vermessen. Hierzu wurden mit einer bereits bewährten elektrochemischen Methode, bei der organische Additive zur Abscheidungslösung gegeben werden, hoch poröse ZnO-Filme präpariert. Nach der Adsorption eines Sensibilisator-Farbstoffes wurde elektrochemisch, aber auch mit zwei anderen Methoden (SILAR = Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction und Imprägnieren mit gesättigter CuSCN-Lösung) CuSCN in den Poren des ZnO-Filmes abgeschieden. Die besten Ergebnisse wurden hierbei mit der Imprägnier-Methode erzielt, wobei allerdings bisher nur eine Effektivität von 0.5 % erreicht wurde, verglichen mit über 5 % mit den gleichen farbstoffsensibilisierten ZnO-Filmen in einem flüssigen Redox-Elektrolyten. Andererseits zeigen die genannten Ergebnisse der photoelektrochemischen Untersuchung von CuSCN eindeutig, dass der Grund für die geringe Effektivität nicht in den Ladungstransporteigenschaften des p-Halbleiters zu suchen ist. Vielmehr zeigen REM- und EDXS-Untersuchungen von Querschnitten der Solarzellen, dass die Füllung der Poren mit dem CuSCN das Hauptproblem darstellt und dass der Photostrom mit dem Füllungsgrad korreliert ist. Zukünftige Arbeiten werden sich daher auf die Lösung dieses Problems konzentrieren müssen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „Variation of the morphology of electrodeposited copper thiocyanate films", Thin Solid Films 516 (2008) 7120-7124
Y. Selk, T. Yoshida, T. Oekermann
- "Electrodeposition of Inorganic/Organic Hybrid Thin Films", Adv. Funct. Mater. 19 (2009) 17- 43
T. Yoshida, J. Zhang, D. Komatsu, S. Sawatani, H. Minoura, T. Pauporte, D. Lincot, T. Oekermann, D. Schlettwein, H. Tada, D. Wöhrle, K. Funabiki, M. Matsui, H. Miura, H. Yanagi
