Farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSSCs) zeichnen sich durch hohe Wirkungsgrade unter diffusem Lichteinfall, geringe Amortisierungszeiten, geringen Materialaufwand und vielseitige Anwendungsmöglichkeiten aus. Die leistungsstärksten DSSCs beinhalten jedoch häufig schlecht verfügbare Edelmetalle, karzinogene Cobalt-Komplexe und toxische, entflammbare Lösemittel. Diese Promotion zielt darauf ab, Wasser als umweltfreundliches Lösemittel und edelmetallfreie Gegenelektroden in effektiv arbeitenden DSSCs unter Nutzung von organischen Redox-Mediatoren auf Basis des Moleküls TEMPO einzusetzen. In drei Arbeitspaketen werden gezielte Modifikationen der drei Kernkomponenten der DSSC (Photoanode, Flüssigelektrolyt und Gegenelektrode) vorgenommen, da Rekombination an der Photoanode ein immanentes Problem darstellt, das organische Redox-Molekül TEMPO nicht löslich genug in Wasser ist und geeignete Gegenelektroden bisher fehlen.
DSSCs, die Derivate des Moleküls TEMPO beinhalten, wie das gut wasserlösliche 4-OH-TEMPO, unterscheiden sich bei ansonsten gleicher Zellkomposition deutlich von TEMPO-basierten DSSCs. Daher ist ein grundlegendes Verständnis der Interaktion von TEMPO-Derivat-basierten Redox-Mediatoren mit weiteren DSSC-Bestandteilen entscheidend. Neben dem Redox-Mediator und dem Lösemittel Wasser besteht der Elektrolyt aus Additiven, die vor allem Rekombinationsreaktionen an der Photoanode unterdrücken. Die Wechselwirkung zwischen TEMPO-Derivaten und diesen Komponenten wird eingehend elektrochemisch untersucht. Neben Cyclovoltammetrie (CV) zur Analyse des Diffusionsverhaltens wird Konduktometrie zur Bestimmung der Leifähigkeit bei systematisch variierter Elektrolytkomposition durchgeführt. Auf Basis einer so als geeignet etablierten Elektrolytlösung werden die Elektroden der DSSC modifiziert.
Die farbstoffsensibilisierte Anode (Photoanode) wird mit Additiven behandelt, die zwischen den Farbstoffmolekülen auf der Elektrodenoberfläche anbinden. Somit wird eine lokalisierte Wirkung der Additive sichergestellt. Mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) und weiteren photoelektrochemischen 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.
An der Gegenelektrode steht die Substitution von Platin als etabliertem, aber nicht gut verfügbarem Material im Fokus. Edelmetallfreie Gegenelektroden basierend auf Kohlenstoff-Materialien, leitfähigen Polymeren oder Eisen-Pyrit werden in ihren Charakteristika mit Platinelektroden verglichen und ein für den Einsatz in 4‑OH‑TEMPO-basierten DSSCs geeignetes Material ausgewählt. 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.
Das Zusammenwirken der in den einzelnen Arbeitspaketen etablierten Komponenten wird in kompletten DSSCs untersucht. Deren photovoltaische 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 Stabilität 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 Erschließung bisher ungenutzter Flächen zur Energiegewinnung geleistet werden kann.
Im ersten Förderjahr wurden verschiedene Kohlenstoff-basierte Materialien 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: während das ebenfalls elektropolymerisierte PNR (Polyneutralrot) mit dem Redox-Mediator reagierte und somit zerstört wurde, führten siebgedruckte Kohlenstoffelektroden zu einer Adsorption des Additivs MBI (1-Methylbenzimidazol). Da MBI benötigt wird, um Rekombinationsverluste an der Photoanode zu verringern, stellten sich auch reine Kohlenstoffelektroden zunächst als ungeeignet heraus.
Untersuchungen am Elektrolyten zeigten, dass 4-OH-TEMPO-Elektrolyte selbst bei geringen Konzentrationen des Additivs MBI hohe Widerstände besaßen. Für TEMPO-Elektrolyte hingegen wurde gefunden, dass höhere MBI-Konzentrationen zu besseren Ergebnissen führten. Mittels optischer Absorptionsspektroskopie wurde zudem festgestellt, dass MBI im Elektrolyten mit TEMPO+ interagiert. All diese Ergebnisse zeigen, dass die Wirkungsweise von MBI in TEMPO(-Derivat)-basierten Elektrolyten noch nicht vollständig verstanden ist und die Elektrolytkomposition grundlegend überarbeitet werden soll.
Zudem wurden Experimente zur Abschirmung der Photoanode gegen Rekombination durch die gemeinsame Adsorption eines Farbstoffs und eines Additivs (Cholsäure) durchgeführt. Die Abschirmung durch Cholsäure war zwar weniger effektiv als die Verwendung von im Elektrolyten gelöstem MBI, durch die Kombination beider Ansätze jedoch konnten signifikant bessere Ergebnisse erzielt werden. Besonders die Photostromdichte, welche direkt von der Rekombination bzw. Abschirmung abhängt, konnte deutlich erhöht werden.