Mechanistische Analyse von Farbstoffregeneration und Rekombinationsprozessen in farbstoffsensibilisierten Solarzellen mit mikroelektrochemischen Experimenten

• Antragsteller: Professor Dr. Derck Schlettwein; Professor Dr. Gunther Wittstock
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 260064828

Farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSC, dye sensitized solar cells) basierend auf ZnO als Halbleiter ermöglichen die Herstellung von flexiblen Solarzellen, die auch bei diffusem Licht elektrische Energie liefern können und gut verfügbare Materialien verwenden. In DSC wird das Licht von einem Farbstoff absorbiert, der dann ein Elektron in das Leitungsband des Halbleiters injiziert. Für einen fortlaufenden Betrieb muss der so photooxidierte Farbstoff z. B. durch eine redoxaktive Elektrolytkomponente reduziert werden. Das Ziel des Vorhabens besteht in der Untersuchung der Kinetik dieser Farbstoffregeneration, da sie zusammen mit Rekombinationsvorgängen die Effizienz der DSC begrenzen kann. Ein direkter experimenteller Zugang zur Untersuchung dieser Teilreaktion existiert bisher nicht, wird aber wichtig, um die Abhängigkeit von verschiedenen Elektrolytkomponenten (Lösungsmittel, Redoxelektrolyt, Zusätze) und Elektrodenstrukturen aufzuklären und nachfolgend zu optimieren. Die Optimierung einzelner Zellbestandteile erfordert wegen der komplexen Wechselwirkungen auch eine Anpassung anderer Zellkomponenten, die mangels aussagekräftiger Techniken zur Untersuchung von Teilschritten der Zellreaktion unter realistischen Bedingungen bisher weitgehend empirisch verläuft.Das neue Untersuchungskonzept soll beispielhaft an Zellen auf der Basis von nanostrukturiertem, elektrochemisch abgeschiedenem ZnO entwickelt und mit etablierten Zellen auf der Basis von nanopartikulärem TiO2 und ZnO mit einstellbaren Morphologien der porösen Photoanode verglichen werden. Wir verfolgen dabei die Hypothese, dass sich interne Stofftransportlimitierungen in den Zellen auf die Gesamtleistungsfähigkeit auswirken, sich dieser Effekt jedoch durch zusätzliche Ladungstransportprozesse an den inneren Oberflächen der Materialien begrenzen lässt. Weiterhin erfordert die chemisch reaktivere ZnO-Oberfläche andere Farbstoffe als TiO2. Neue Elektrolyte mit günstigeren Redoxpotentialen erlauben im Prinzip höhere Effizienzen. Allerdings stellen diese Elektrolyte höhere Anforderungen an die Passivierung der Kontakte, um die möglichen Effizienzgewinne nicht durch verstärkte Rekombination zu verlieren.Die vorgeschlagene Untersuchungsmethodik basiert auf einer Kombination klassischer Verfahren zur Bestimmung von Leistungsdaten für Solarzellen, Impedanzspektroskopie im Dunkeln und unter Belichtung, Messungen unter modulierter Belichtung sowie mikroelektrochemischer Methoden auf der Basis der elektrochemischen Rastermikroskopie (SECM), die unter Verwendung transienter Signale und Nutzung geschlossener oder fast geschlossener mikroelektrochemischer Zellen weiterentwickelt werden.Wenn die Hypothese und die vorgeschlagene Methodik bestätigt werden können, werden sie richtungsweisend sein für die Auswahl und Anpassung neuer Farbstoffe, neuer Redoxelektrolyte und neuer Lösungsmittel an Photoanoden mit optimierten Passivierungen der Kontakte.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen