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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-25701
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/2570/


Würfel, Uli

Untersuchung zum Elektronentransport im nanoporösen TiO2 von Farbstoffsolarzellen

Investigation of the electron transport in the nanoporous TiO2 of dye solar cells

Dokument1.pdf (2.126 KB) (md5sum: c6fad20baa7a37de6777461674025c8f)

Kurzfassung in Deutsch

In Farbstoffsolarzellen wird das Licht durch Farbstoffmoleküle absorbiert, die chemisch an die große innere Oberfläche einer nanokristallinen Titandioxid-Matrix gebunden sind. Daneben befindet sich ein Elektrolytsystem in der Zelle, in dem ein Redoxpaar (typischerweise Iiodid/Triiodid) enthalten ist, das auch alle Poren der nanoporösen Titandioxidschicht durchdringt. Durch Absorption eines Photons wird ein Elektron im Farbstoff elektronisch angeregt. Von dort wird es in das Leitungsband des Titandioxids injiziert. Das Elektron diffundiert durch das Titandioxid-Netzwerk, verlässt die Zelle an der Frontelektrode und durchläuft den äußeren Stromkreis. An der Rückelektrode ist eine dünne Schicht katalytisch wirksamen Platins aufgebracht, an der das Elektron an einer Redoxreaktion mit dem Elektrolyten teilnimmt. Dabei wird Triiodid zu Iodid reduziert. Das Iodid diffundiert nun seinerseits zum Farbstoff und neutralisiert diesen durch Elektronentransfer in den Grundzustand. Ein besonderes Merkmal von Farbstoffsolarzellen ist der erstaunlich langsame Transport der Elektronen durch die nanoporöse Titandioxid-Matrix. Die Transitzeiten spannen einen Bereich von mehreren zehn Millisekunden bei einer Intensität von "1 Sonne" (entspricht 1000 W/m² AM1.5) bis zu einigen zehn Sekunden bei niedrigen Intensitäten. Die vorliegende Arbeit befasst sich schwerpunktmäßig mit den Konsequenzen, die es mit sich bringt, dass in der Farbstoffsolarzelle nanokristallines Titandioxid als das Material eingesetzt wird, in dem die Elektronen vom Ort ihrer Generation zur TCO-Frontelektrode transportiert werden. Es wurde angestrebt, das Verständnis für den Elektronentransport in der Titandioxid-Matrix zu vertiefen. Im Zuge dessen war eine wichtige Frage die nach dem Verlauf des elektrischen Potenzials im nanoprösen Titandioxid der Farbstoffsolarzelle. In der Literatur wird zumeist davon ausgegangen, dass elektrische Potenzialdifferenzen in der Farbstoffsolarzelle in Bezug auf den Transport der Ladungsträger vernachlässigt werden können. Als Argument wird außer der geringen Größe der Titandioxid-Kristallite angeführt, dass der alle Poren ausfüllende Elektrolyt eine hohe Konzentration an mobilen Ionen aufweist, die etwaig vorhandene elektrische Felder über kürzeste Distanzen abschirmen. Dabei handelt es sich jedoch um eine rein qualitative Argumentation. Aus diesem Grund wurde dieser sogenannte Abschirmeffekt mittels einer numerischen Modellierung einer detallierteren Betrachtung unterzogen mit dem Ziel, den Effekt quantitativ abschätzen zu können. Parallel dazu wurden Experimente durchgeführt, die die Abhängigkeit der Leitfähigkeit des Titandioxid vom umgebenden Medium direkt nachwiesen. Der Einfluss des nanoporösen Titandioxid auf das Verhalten der Farbstoffsolarzelle wurde experimentell und theoretisch untersucht, sowohl im Gleichgewicht als auch zeitabhängig. Desweiteren wurde, um mehr Information über den räumlichen Verlauf der Elektronenkonzentration im Titandioxid zu gewinnen, eine zusätzliche Elektrode in die Farbstoffsolarzelle eingebaut, die das Titandioxid am im Sinne des Lichteinfalls hinteren Ende kontaktiert. Dadurch konnte das räumliche Elektronenkonzentrationsprofil im Gleichgewicht eingehender untersucht werden. Auch dessen Dynamik bei zeitabhängigen Messungen wurde untersucht. Um das Verständnis der zu Grunde liegenden Prozesse zu vertiefen, wurde ergänzend ein quantitatives Modell aufgestellt, welches die Farbstoffsolarzelle unter besonderer Berücksichtigung des Elektronentransports im Titandioxid beschreibt. Dabei wurden die im nanokristallinen Titandioxid in großer Konzentration vorhandenen Störstellen explizit berücksichtigt. Die zugehörigen Differentialgleichungen wurden sowohl zeitabhängig als auch für den Gleichgewichtszustand gelöst.


Kurzfassung in Englisch

In dye solar cells light is absorbed by dye molecules which are chemically bound to the high inner surface of a nanocrystalline titaniumdioxide matrix. Another constituent is an electrolyte system which contains a redox couple (usually iodide/triiodide) and permeates all the pores of the nanoporous titania layer. Through absorption of a photon by the dye an electron is excited to a higher electronic level. From there, fast injection into the conduction band of the titania takes place. The electron diffuses through the titania network and leaves the cell through the front electrode. The back electrode is coated with a thin catalytic layer of platinum. There, the electron takes part in a redox reaction reducing triiodide to iodide. The iodide diffuses to the dye and reduces it by electron transfer to its neutral ground state. A special characteristic of dye solar cells is the surprisingly slow transport of the electrons through the nanoporous titania matrix. The transit times vary from several tens of microseconds under an illumination intensity of "1 sun" (corr. 1000 W/m² AM1.5) to several seconds under low intensities. This work deals with the consequences of employing nanocrystalline titania in dye solar cells as the material in which the electrons are transported from the place where they are generated to the front electrode. It was intented to establish understanding of the electron transport in the titania matrix. For this reason it an important question was the one of the distribution of the electric potential in the nanporous titania of the dye solar cell. In literature it is assumed in most of the cases that electric potential differences in the dye solar cell are negligible as far as their transport is concerned. It is argued that, apart from the tiny size of the titania crystallites, the electrolyte being present in all the pores of the matrix shows a high concentration of mobile ions that are able to screen any electric fields over very short distances. However, this is a solely qualitative reasoning. Therefore a numerical modelling was carried out in order to achieve a more detailed description of the screening process allowing for a quantitative estimation. In parallel, experiments were realized that proved the dependence of the conductivity of the titania on the surrounding medium in a direct manner. The influence of the nanoporous titania on the performance of the dye solar cell was investigated experimentally and theoretically both in the steady state and transient. Furthermore an additional electrode was incorporated in the dye solar cell to get more information about the spatial distribution of the electron concentration. This secondary electrode contacts the titania in the far end of the layer, opposite to the front electrode. With the help of this new feature the spatial electron concentration profile could be investigated. Also its dynamics under transient experiments was examined. In order to get a more detailed undestanding of the underlying processes, a quantitaive model was developed describing the dye solar cell focussing on the electron transport in the titania matrix. In doing so the abundant number of trap states in the nanocrystalline titania were considered explicitly. The corresponding differential equations were solved for the transient case as well as for the steady-state.


SWD-Schlagwörter: Farbstoffsolarzelle , Elektronentransport , Titandioxid , Nanopartikel , Mesoporöser Kristall , Nanoporöser Stoff
Freie Schlagwörter (deutsch): Abschirmeffekt , sekundäre Elektrode , Drei-Elektrodenkonfiguration
Freie Schlagwörter (englisch): screening effect , secondary electrode , three-electrode configuration
PACS Klassifikation 73.40.Mr , 73.43.Fj , 73.20.At , 73.63.Bd , 73.63.-b
Institut: Physikalisches Institut
Fakultät: Fakultät für Mathematik und Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Luther, Joachim (Prof. Dr.)
Quelle: J. Phys. Chem. B, 2005, vol. 109, number 43, pp. 20444-20448
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 03.07.2006
Erstellungsjahr: 2006
Publikationsdatum: 04.08.2006
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