Elektrochemische Abscheidung von kristallinen nanoporösen Titandioxid-Filmen und ihre Anwendung in flexiblen farbstoffsensibilisierten Solarzellen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Vorhaben wurden zwei Methoden zur elektrochemischen Abscheidung von porösen TiO2-Filmen für den Einsatz in Farbstoffsolarzellen entwickelt. Bei der anodischen Abscheidung von TiO2 aus TiCl3-Lösung konnten poröse Filme unter Zusatz von Natriumdodecylsulfat (SDS) oder Bromthymolblau als strukturdirigierenden Agenzien erhalten werden. Durch Abscheidung bei 80 °C konnten zudem ohne weitere Behandlung Filme mit signifikanten kristallinen Anteilen erhalten werden, was die Methode für die Abscheidung auf temperaturempfindlichen Substraten interessant macht. Bei 450 °C calcinierte als auch unbehandelte Filme wurden erfolgreich in Farbstoffsolarzellen verwendet, wobei jedoch nach dem Calcinieren eine wesentlich höhere Farbstoffbeladung und Effektivität (0,8 %) erreicht wurde. Die Ursachen dafür liegen in einer erhöhten Kristallinität und im Zusammenwachsen der TiO2-Kristalle durch die thermische Behandlung, welches durch TEM-Aufnahmen und Röntgendiffraktogramme verifiziert wurde. Weiterhin führt die Calcination zu größeren Poren im Film, welche leichter von den großen Farbstoffmolekülen penetriert werden können. Abschließend konnte gezeigt werden, dass ähnliche Effekte und Steigerungen beim Wirkungsgrad (0,7 %) auch durch die Wasserdampfbehandlung der Filme erreicht werden kann. Eine Steigerung der Filmkristallinität ohne den Einsatz von höheren Temperaturen (> 150 °C) war auch durch die Ko-Abscheidung von in der Abscheidungslösung suspendierten TiO2-Nanopartikeln möglich, jedoch wurden hierbei nur Wirkungsgrade < 0,4 % erzielt, da die Filme entweder (bei hohem Nanopartikel-Gehalt) eine zu geringe Stabilität und Schichtdicke oder (bei niedrigem Nanopartikel-Gehalt) eine zu geringe Porosität aufwiesen. Mit der anodischen TiO2-Abscheidung aus hoch alkalischer Titan(IV)-Isopropoxid-Lösung mit Hydrochinon als Reduktionsmittel konnte auch durch Variation der Abscheidungstemperatur zwischen 0 °C und 90 °C kein kristallines TiO2 direkt erhalten werden. Andererseits konnten nach dem Calcinieren aufgrund der Entfernung von eingelagertem Benzochinon hoch poröse Filme erhalten werden. Das Benzochinon entsteht bei der Oxidation von Hydrochinon unter Bildung von Protonen, welche den pH-Wert erniedrigen und somit die Abscheidung von amorphem Titan-Oxo-Hydroxid auslösen, und bildet auch die für das weitere Wachstum des amorphen Filmes erforderlichen leitfähigen Pfade. Die Variation der Reaktanden (andere Reduktionsmittel statt Hydrochinon, andere Ti-Alkoxide) und anderer Parameter wie der Temperatur ermöglichte die Variation der Porengrößen. Weiterhin wurde die Methode erweitert, indem die Oxidation von Wasser zur Generation von Protonen genutzt wurde und ein im relevanten Potentialbereich elektrochemisch inertes Phthalocyanin eingesetzt wurde, um leitfähige Pfade im wachsenden Film und, nach dessen Entfernen durch Calcinieren, Poren zu erzeugen. Neben im Vergleich zur geringen Schichtdicke (ca. 1 m) recht ordentlichen Wirkungsgraden in Farbstoffsolarzellen (0,8 %) wurden die Filme auch in der Photokatalyse getestet, wo teilweise sehr hohe Photoneneffizienzen (höher als mit P25- Filmen) beim Abbau von Farbstoffen erreicht werden konnten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "Low-temperature preparation of crystalline nanoporous TiO2 Films by surfactant-assisted anodic electrodeposition", Electrochem. Solid-State Lett. 2006, 9, C93
K. Wessels, A. Feldhoff, M. Wark, J. Rathousky, T. Oekermann
- "One-step electrodeposition of TiO2 / dye hybrid films”, Thin Solid Films 2007, 515, 6497
K. Wessels, M. Maekawa, T. Oekermann
- “Texture properties of nanoporous TiO2 films prepared by anodic electrodeposition using a structure directing agent”, Stud. Surf. Sci. Catal. 2007 ,170, 1494
J. Rathousky, K. Wessels, M. Wark, T. Oekermann
- "Influence of the calcination temperature on the photoelectrochemical and photocatalytic properties of electrodeposited porous TiO2 films", J. Phys. Chem. C 2008, 112, 15122
K. Wessels, M. Minnermann, J. Rathousky, M. Wark, T. Oekermann
- “Highly porous TiO2 films from anodically deposited titanate hybrids – photoelectrochemical and photocatalytic activity”, Micropor. Mesopor. Mater. 2008, 111, 55
K. Wessels, M. Maekawa, J. Rathousky, T. Yoshida, M. Wark, T. Oekermann
