Chemische Grenzflächenmodifikation in Hybridsolarzellen

Dieses Projekt widmet sich der Grundlagenforschung an Hybridsolarzellen, einer Solarzellentechnologie auf Basis von konjugierten Polymeren und anorganischen halbleitenden Nanopartikeln, und verbindet Aspekte von Nanotechnologie und Materialwissenschaften. Hybridsolarzellen kombinieren die leichte Verarbeitbarkeit und die hohen Absorptionskoeffizienten von organischen Materialien mit den Vorteilen von anorganischen Solarzellenmaterialien wie hohe Ladungsträgerbeweglichkeiten und Robustheit. Die aktiven Schichten der Hybridsolarzellen sind dabei nur einige hundert Nanometer dick und können energieeffizienter und billiger als anorganische Solarzellen auf flexiblen und transparenten Substraten hergestellt werden. Der limitierende Faktor für den Wirkungsgrad von Hybridsolarzellen, der in den letzten Jahren bis auf etwa 4 - 5% anstieg, ist wahrscheinlich die komplexe Grenzfläche zwischen Polymer und Nanopartikeln. Intensive Grundlagenforschung auf dem Gebiet der hybriden organisch-anorganischen Grenzfläche kann der Schlüssel dazu sein, hohe Wirkungsgrade mit diesem interessanten Solarzellentyp zu realisieren. Daher behandelt dieses Projekt die chemische Modifikation der Polymer/Nanopartikel-Grenzflächen, hergestellt über einen neuen Ansatz, die so genannte in situ Route, bei der die Nanostrukturen direkt in einer Matrix aus einem konjugierten Polymer synthetisiert werden. Gezielte Modifikation dieser organisch-anorganischen Grenzflächen in den in situ hergestellten Nanokompositschichten ist ein völlig neues und unerforschtes Gebiet. Der Einfluss von koordinierenden Molekülen mit unterschiedlichen Ankergruppen und Dipolmomenten auf "Oberflächen-Traps" und Ladungstrennung wird umfangreich untersucht werden. Besonderer Fokus wird auf zeitaufgelösten spektroskopischen Methoden, wie zeitaufgelöster Fluoreszenzspektroskopie und transienter Absorptionsspektroskopie liegen. Diese Techniken sind an der Nanostructured Materials and Devices Group des Department of Chemistry am Imperial College London, wo das Projekt durchgeführt werden wird, verfügbar. Durch die geplanten Untersuchungen wird profundes Wissen über die physikalischen Eigenschaften der Grenzfläche gewonnen und die Zusammenhänge zwischen chemischer Modifikation und den optischen und elektronischen Eigenschaften, sowie auch der Morphologie der Nanokompositschichten erforscht werden. Dieses Grundlagenwissen über die Eigenschaften der Grenzflächen und wie diese beeinflusst werden können, könnte zu einer signifikanten Erhöhung der Photospannung und des Photostroms von in situ hergestellten Hybridsolarzellen führen.

Der Fokus dieses Forschungsprojekts lag auf Grundlagenforschung zu lösungsprozessierten Polymer/Nanokristall Hybridsolarzellen. Die Absorberschichten der untersuchten Solarzellen wurden über eine direkte Synthese der Nanokristalle in der Polymermatrix mittels Metallxanthaten als Precursormaterialien hergestellt. Dies hat den Vorteil, dass diese Absorberschichten frei von Liganden sind, die üblicherweise für die Stabilisierung der Nanokristalle benötigt werden. Die Schlüsselfaktoren, um die Wirkungsgrade dieser Solarzellentechnologie weiter zu verbessern, sind hauptsächlich die Morphologie der Absorberschichten sowie auch das komplexe Interface zwischen den in situ hergestellten Nanokristallen und dem konjugierten Polymer.Bezüglich der Morphologie der Absorberschichten wurde herausgefunden, dass diese effizient über das Design der verwendeten Metallxanthate eingestellt werden kann. Xanthate mit längeren Alkylketten führten zu einer feineren Durchmischung beider Phasen und zu kleineren Domänengrößen. Die verschiedenen Nanomorphologien beeinflussen die optoelektronischen Eigenschaften der Absorberschichten und auch die Wirkungsgrade der Hybridsolarzellen deutlich und die komplexen Wechselwirkungen zwischen diesen Parametern wurden durch die durchgeführten Analysen offengelegt.Weiters konnte die Ladungsträgergenerierung in Polymer/Kupferindiumsulfidnanokristall-Schichten durch eine Modifikation der Grenzflächen zwischen Polymer und Nanokristallen mit Thiolen deutlich erhöht werden, wobei die Modifikation mit 1,3-Benzendithiol zu den besten Ergebnissen führte. Auch die Wirkungsgrade der Hybridsolarzellen konnten durch die Behandlung der Absorberschichten mit diesem organischen Molekül gesteigert werden.Darüber hinaus wurden alternative Metallsulfide mit guten Eigenschaften für die Anwendung in Hybridsolarzellen untersucht und eine neue lösungsbasierte Route für die Herstellung von Polymer/Zinnsulfid (SnS)-Schichten entwickelt. Die Ladungsträgerbildung in diesen Schichten wurde mittels transienter Absorptionsspektroskopie untersucht und die Solarzellen zeigten eine effiziente Photostromgeneration in einem breiten Spektralbereich.Ein weiterer Teil der Forschungsarbeit wurde der Stabilität von Metallhalogenid-Perowskiten und den zugehörigen Solarzellen, die aufgrund ihrer beeindruckenden Wirkungsgrade kürzlich die Aufmerksamkeit vieler Forschungsgruppen auf sich gezogen haben, gewidmet. Dabei wurden Details über deren Degradationsmechanismus herausgefunden und auf dieser Basis war es möglich, Strategien zur Verbesserung der Stabilität dieser Perowskite vorzuschlagen.Das erarbeitete Wissen über die Eigenschaften von Hybridmaterialien für Solarzellenanwendungen ist eine wertvolle Grundlage für die zukünftige Forschung an aufstrebenden Polymer/Nanokristall- oder Perowskit-Solarzellen.