Farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSSCs) zeichnen sich durch hohe Wirkungsgrade unter diffusem Lichteinfall, geringe Amortisierungszeiten, geringen Materialaufwand und vielseitige Anwendungsm\u00f6glichkeiten aus. Die leistungsst\u00e4rksten DSSCs beinhalten jedoch h\u00e4ufig schlecht verf\u00fcgbare Edelmetalle, karzinogene Cobalt-Komplexe und toxische, entflammbare L\u00f6semittel. Diese Promotion zielt darauf ab, Wasser als umweltfreundliches L\u00f6semittel und edelmetallfreie Gegenelektroden in effektiv arbeitenden DSSCs unter Nutzung von organischen Redox-Mediatoren auf Basis des Molek\u00fcls TEMPO einzusetzen. In drei Arbeitspaketen werden gezielte Modifikationen der drei Kernkomponenten der DSSC (Photoanode, Fl\u00fcssigelektrolyt und Gegenelektrode) vorgenommen, da Rekombination an der Photoanode ein immanentes Problem darstellt, das organische Redox-Molek\u00fcl TEMPO nicht l\u00f6slich genug in Wasser ist und geeignete Gegenelektroden bisher fehlen.<\/p>\n
DSSCs, die Derivate des Molek\u00fcls TEMPO beinhalten, wie das gut wasserl\u00f6sliche 4-OH-TEMPO, unterscheiden sich bei ansonsten gleicher Zellkomposition deutlich von TEMPO-basierten DSSCs. Daher ist ein grundlegendes Verst\u00e4ndnis der Interaktion von TEMPO-Derivat-basierten Redox-Mediatoren mit weiteren DSSC-Bestandteilen entscheidend. Neben dem Redox-Mediator und dem L\u00f6semittel Wasser besteht der Elektrolyt aus Additiven, die vor allem Rekombinationsreaktionen an der Photoanode unterdr\u00fccken. Die Wechselwirkung zwischen TEMPO-Derivaten und diesen Komponenten wird eingehend elektrochemisch untersucht. Neben Cyclovoltammetrie (CV) zur Analyse des Diffusionsverhaltens wird Konduktometrie zur Bestimmung der Leif\u00e4higkeit bei systematisch variierter Elektrolytkomposition durchgef\u00fchrt. Auf Basis einer so als geeignet etablierten Elektrolytl\u00f6sung werden die Elektroden der DSSC modifiziert.<\/p>\n
Die farbstoffsensibilisierte Anode (Photoanode) wird mit Additiven behandelt, die zwischen den Farbstoffmolek\u00fclen auf der Elektrodenoberfl\u00e4che anbinden. Somit wird eine lokalisierte Wirkung der Additive sichergestellt. Mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) und weiterer photoelektrochemischer Methoden werden DSSCs auf Basis der so modifizierten Photoanoden charakterisiert. Die Wirkung der Additive wird mit den Beobachtungen aus der Elektrolytanalyse abgeglichen, um somit ein umfassendes Bild der Wechselwirkungen in TEMPO-Derivat-basierten DSSCs zu erhalten.<\/p>\n
An der Gegenelektrode steht die Substitution von Platin als etabliertem, aber nicht gut verf\u00fcgbarem Material im Fokus. Edelmetallfreie Gegenelektroden basierend auf Kohlenstoff-Materialien, leitf\u00e4higen Polymeren oder Eisen-Pyrit werden in ihren Charakteristika mit Platinelektroden verglichen und ein f\u00fcr den Einsatz in 4\u2011OH\u2011TEMPO-basierten DSSCs geeignetes Material ausgew\u00e4hlt. Neben der strukturellen und morphologischen Analyse spielt besonders die Kinetik der Reduktion des oxidierten Redox-Mediators eine wichtige Rolle, welche mit elektrochemischen Methoden (EIS und CV) untersucht wird.<\/p>\n
Das Zusammenwirken der in den einzelnen Arbeitspaketen etablierten Komponenten wird in kompletten DSSCs untersucht. Deren photovoltaischen Charakteristika werden bestimmt, Limitation des erreichten Wirkungsgrades durch eingehende photoelektrochemische Untersuchungen ermittelt und eine Behebung entdeckter Probleme angestrebt. Parallel wird an der Reproduzierbarkeit und der zeitlichen Stabilit\u00e4t der Zellcharakteristika gearbeitet, um einen Beitrag zur Entwicklung nachhaltig produzier- und einsetzbarer DSSCs zu leisten und so einen Weg aufzuzeigen, wie ein signifikanter Beitrag zur Erschlie\u00dfung bisher ungenutzter Fl\u00e4chen zur Energiegewinnung geleistet werden kann.<\/p>\n
Verschiedene Kohlenstoff-basierte Materialien wurden als Gegenelektroden getestet, wobei die besten Ergebnisse mit dem elektropolymerisierten Material PEDOT (Poly-3,4-ethylendioxythiophen) erzielt wurden. Andere Materialien erwiesen sich aufgrund der Interaktionen mit dem Elektrolyten als ungeeignet: W\u00e4hrend das ebenfalls elektropolymerisierte PNR (Polyneutralrot) mit dem Redox-Mediator reagierte und somit zerst\u00f6rt wurde, f\u00fchrten siebgedruckte Kohlenstoffelektroden zu einer Adsorption des Additivs MBI\u00a0(1-Methylbenzimidazol). Da MBI ben\u00f6tigt wird, um Rekombinationsverluste an der Photoanode zu verringern, stellten sich auch reine Kohlenstoffelektroden zun\u00e4chst als ungeeignet heraus. Anstelle von Kohlenstoffelektroden aus Kohlenstoff-Pulvern k\u00f6nnen auch kohlenstoffhaltige Materialien, wie z.B. Polymere, mittels W\u00e4rmebehandlung unter sauerstofffreier Atmosph\u00e4re zu reinen Kohlenstoff-Materialien umgewandelt werden. Hierzu wurden erfolgreich erste Experimente mit PEDOT-Elektroden durchgef\u00fchrt. W\u00e4hrend f\u00fcr PEDOT keine Erh\u00f6hung der katalytischen Aktivit\u00e4t festgestellt wurde, kann diese Methode ebenso zur Modifikation anderer Polymere verwendet werden. Weitergehende Untersuchungen zeigten zudem, dass bereits sehr d\u00fcnne, mit dem Auge fast nicht wahrzunehmende PEDOT-Schichten, die lediglich f\u00fcr 5 Sekunden abgeschieden wurden, ebenso effektiv wie deutlich l\u00e4nger abgeschiedene Schichten eingesetzt werden k\u00f6nnen. Somit l\u00e4sst sich materialsparend arbeiten und die Transparenz der Solarzellen erh\u00f6hen, was beispielsweise f\u00fcr Tandem-Anwendungen attraktiv ist.\u00a0<\/p>\n
Untersuchungen am Elektrolyten zeigten, dass 4-OH-TEMPO-Elektrolyte selbst bei geringen Konzentrationen des Additivs MBI hohe Ladungstransferwiderst\u00e4nde aufwiesen. F\u00fcr TEMPO-Elektrolyte hingegen wurde festgestellt, dass h\u00f6here MBI-Konzentrationen zu besseren Ergebnissen f\u00fchrten. Mittels optischer Absorptionsspektroskopie wurde zudem festgestellt, dass MBI im Elektrolyten mit TEMPO+<\/sup> interagiert. All diese Ergebnisse zeigen, dass die Wirkungsweise von MBI in TEMPO(-Derivat)-basierten Elektrolyten noch nicht vollst\u00e4ndig verstanden ist und die Elektrolytkomposition grundlegend \u00fcberarbeitet werden sollte. Die Interaktion zwischen OH-TEMPO+<\/sup> und MBI wurde mittels Absorptions- und Kernspinresonanzspektroskopie weiter untersucht, wobei sich zeigte, dass es zu einem Kristallisationsprozess von MBI mit Teilen des Elektrolyten kommen kann.\u00a0Diese Kristallisation konnte durch die Kontrolle des pH-Wertes mittels Pufferl\u00f6sungen nicht verhindert werden. Da eine Reaktion zwischen MBI und HBF4<\/sub> beobachtet wurde und BF4<\/sub>–<\/sup> das verwendete Gegenion der OH-TEMPO+<\/sup>-Spezies ist, wurde das Gegenion durch eine elektrochemische Oxidation in Gegenwart verschiedener, nicht zur Kristallisation f\u00fchrender S\u00e4uren durchgef\u00fchrt. Obwohl S\u00e4uren wie HClO4<\/sub> oder HCl nicht zur Kristallisation mit MBI f\u00fchrten, fand die Nebenreaktion im Elektrolyten auch mit den entsprechenden S\u00e4ureanionen statt. Demnach k\u00f6nnen weiterhin nur kurzzeitig Wirkungsgrade von > 4.5% unter Verwendung von OH-TEMPO erzielt werden. F\u00fcr eine langzeitstabile Elektrolytkomposition m\u00fcssen demnach weitere Untersuchungen zur Interaktion von OH-TEMPO und Additiven durchgef\u00fchrt werden, wobei der Fokus auf sterisch anspruchsvolle Gegenionen geringer Ladungsdichte gelegt werden sollte, um Nebenreaktionen zu vermeiden.<\/p>\n Strukturelle Derivate des Molek\u00fcls MBI wurden zun\u00e4chst in Kombination mit TEMPO-Elektrolyten untersucht. Hier zeigte keines der verwendeten Additive eine mit MBI vergleichbare Wirkungsweise.\u00a0<\/p>\n Zudem wurden Experimente zur Abschirmung der Photoanode gegen Rekombination durch die gemeinsame Adsorption eines Farbstoffs und eines Additivs (Chols\u00e4ure) durchgef\u00fchrt. Die Abschirmung durch Chols\u00e4ure war zwar weniger effektiv als die Verwendung von im Elektrolyten gel\u00f6stem MBI, durch die Kombination beider Ans\u00e4tze konnten jedoch signifikant bessere Ergebnisse erzielt werden. Besonders die Photostromdichte, welche direkt von der Abschirmung abh\u00e4ngt, konnte deutlich erh\u00f6ht werden. Weitere organische Molek\u00fcle zur Abschirmung wurden untersucht, die sich durch ihre Gr\u00f6\u00dfe oder Ankergruppe deutlich von Chols\u00e4ure unterschieden. Auch hier wurde festgestellt, dass die Behandlung der Photoanode zu einer Erh\u00f6hung des Photostroms f\u00fchrt, selbst wenn die Photoanode durch die Behandlung weniger Licht absorbierte. Dies legt nahe, dass die vorhandenen Farbstoffmolek\u00fcle durch die Behandlung besser geordnet sein k\u00f6nnten und effizienter zum Strom beitragen. Da eine Erh\u00f6hung der Zellspannung durch die Behandlung mit organischen Additiven nicht erreicht werden konnte, scheinen sie keinen signifikaten Einfluss auf die Rekombinationsverluste zu haben, weshalb die Behandlung der Photoanode unterst\u00fctzend zum Einsatz von Additiven im Elektrolyten geschehen kann. In laufenden Experimenten wird die Verteilung von Farbstoff und Additiv innerhalb der por\u00f6sen Photoanode untersucht, um tiefere Einblicke in die Wirkungsweise der Additive und Konkurrenz w\u00e4hrend des Adsorptionsprozesses zu erhalten.\u00a0\u00a0<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" Farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSSCs) zeichnen sich durch hohe Wirkungsgrade unter diffusem Lichteinfall, geringe Amortisierungszeiten, geringen Materialaufwand und vielseitige Anwendungsm\u00f6glichkeiten aus. Die leistungsst\u00e4rksten DSSCs beinhalten jedoch h\u00e4ufig schlecht verf\u00fcgbare Edelmetalle, karzinogene Cobalt-Komplexe und toxische, entflammbare L\u00f6semittel. 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