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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-51320
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/5132/


Siegers, Conrad

Light harvesting via energy transfer in the dye solar cell

Lichternten über Energietransfer in der Farbstoffsolarzelle

Dokument1.pdf (6.823 KB) (md5sum: 0ab32b536f421f3efdf37d5a143134d6)

Kurzfassung in Englisch

The PhD-thesis "Light Harvesting via Energy Transfer in the Dye Solar Cell" (University of Freiburg, July 2007) describes the conceptual design, synthesis and testing of energy donor acceptor sensitizers for the dye solar cell (DSC). Under monochromatic illumination solar cells sensitized with the novel donor acceptor systems revealed a higher power conversion efficiency than cells containing exclusively the acceptor component. The following approach led to this conclusion: (i) the choice of suitable chromophores as energy donor and acceptor moieties according to the Förster-theory, (ii) the synthesis of different donor acceptor systems, (iii) the development of a methodology allowing the quantification of energy transfer within dye solar cells, and (iv) the evaluation of characteristics of DSCs that were sensitized with the different donor acceptor systems.
The acceptor chromophores used in this work were derived from [Ru(dcbpy)2acac]Cl (dcbpy = 4,4’-dicarboxy-2,2’-bipyridin, acac = acetylacetonato). This complex offered the opportunity to introduce substituents at the acac-ligand’s terminal CH3 groups without significantly affecting its excellent photoelectrochemical properties. Alkylated 4-amino-1,8-naphthalimides (termed Fluorols in the following) were used as energy donor chromophores. This class of compounds fulfils the requirements for efficient energy transfer to [Ru(dcbpy)2acac]Cl. Covalently linking donor and acceptor chromophores to one another was achieved by two different concepts. A dyad comprising one donor and one acceptor chromophore was synthesized by subsequent hydrosilylation steps of an olefin-bearing donor and an acceptor precursor to the dihydrosilane HSiMe2-CH2CH2-SiMe2H. A series of polymers comprising multiple donor and acceptor units was made by the addition of alkyne-bearing chromophores to hyperbranched polyglycerol azide ("Click-chemistry"). In this series the donor acceptor ratio was varied between 1 and 9.
The different donor acceptor sensitizers were then incorporated into dye solar cells. Additionally, cells were prepared by the coadsorption of [Ru(dcbpy)2(NCS)2] (N719), which is today’s standard dye for DSC applications, and a carboxy-functionalized Fluorol. Hence DSCs resulted that were sensitized via (i) coadsorbed chromophores, (ii) the dyad, and (iii) above-mentioned polymers. The resulting devices were characterized via current-voltage, transmission and external quantum efficiency (EQE) measurements. The current-voltage measurements were carried out under simulated sunlight (AM1.5G) as well as under monochromatic blue and green illumination. This data allowed the calculation of the ratio of short circuit currents acquired under blue and green illumination, which indicates to what extent the current output of the solar cell may be enhanced by energy transfer. Furthermore, the energy transfer efficiency (ETE) was calculated from the DSC’s spectral properties. All three concepts for the implementation of donor acceptor systems in the DSC revealed high ETEs (up to 90%). The introduction of an additional donor chromophore via coadsorption led to an increase of the monochromatic power conversion efficiency. The last-mentioned increase was more pronounced if covalently assembled donor acceptor sensitizers were used. The relative energy-transfer-mediated current gain was 21%, 24% and up to 179%, when coadsorbed chromophores, the dyad and donor acceptor polymers were used as sensitizers, respectively (in relation to the current generated by selective excitation of the acceptor component within the cell). These values confirm that energy transfer from fluorescent dyes being poor electron donors in themselves to good electroactive dyes (e.g. Ru-complexes) is also a viable process for light-to-electricity conversion in DSCs. Further optimization of the concepts investigated in this thesis (notably with respect to enhancing the light-absorption of donor chromophores in the entire visible spectrum) could lead to a substantial reduction of the N719-content (N719 is accounting for a significant part of the overall DSC cost).


Kurzfassung in Deutsch

In der vorliegenden Arbeit wurden Energie Donor-Akzeptor-Systeme (D-A-Systeme) konzipiert, synthetisch dargestellt und in der Farbstoffsolarzelle getestet. Unter monochromatischer Beleuchtung wurde mit den neu dargestellten D-A-Systemen eine Effizienzerhöhung im Vergleich zu Zellen, die lediglich mit der Akzeptor-Komponente sensibilisiert wurden, erzielt. Die folgende Vorgehensweise führte zu diesem Ergebnis: (i) Die auf der Förster-Theorie basierte Wahl geeigneter Chromophore als Energiedonor und –akzeptoreinheiten, (ii) die Darstellung verschiedener synthetischer D-A-Systeme, (iii) die Entwicklung einer Methode zur Charakterisierung des Energietransfers in der Farbstoffsolarzelle und (iv) die Auswertung der Zelldaten, die mit D-A-Systemen sensibilisiert wurden.
Die Akzeptor-Chromophore, die in dieser Arbeit verwendet wurde waren [Ru(dcbpy)2acac]Cl Derivate (dcbpy = 4,4’-Dicarboxy-2,2’-bipyridin, acac = Acetylacetonato). [Ru(dcbpy)2acac]Cl besitzt gute photoelektrochemische Eigenschaften. Weiterhin bot sich an letztgenanntem Komplex die Möglichkeit, den Acetylaceton-Liganden an den terminalen Methylgruppen zu modifizieren, ohne dadurch eine Änderung in seinem Verhalten als Sensibilisator zu bewirken.
Als Energiedonoren wurden alkylierten 4-Amino-1,8-naphthalimide (im Folgenden als Fluorole bezeichnet) eingesetzt. Diese Verbindungen erfüllen die Voraussetzungen für effizienten Energietransfer zu [Ru(dcbpy)2acac]Cl, ihre komplementäre Absorption zu [Ru(dcbpy)2acac]Cl war für die hier durchgeführten Arbeiten von Bedeutung.
Die kovalente Bindung zwischen Donor- und Akzeptorchromophoren wurde in der vorliegenden Arbeit über zwei verschiedene Konzepte erzielt. Zum einen wurde eine Dyade, die aus jeweils einer Donor- und Akzeptoreinheit bestand, in einer mehrstufigen Synthesesequenz dargestellt. Dazu wurde jeweils ein Olefin-funktionalisiertes Fluorol und Oct-7-en-2,4-dion nacheinander an das Dihydrosilan HSiMe2-CH2CH2-SiMe2H gekuppelt. Das resultierende Derivat, das einen Donor-funktionalisierten Acetylaceton-Liganden darstellte, wurde weiterhin mit [Ru(di-Me-dcbpy)2Cl2] (di-Me-dcbpy = dcbpy-dimethylester) zu der Donor-Akzeptor-Dyade umgesetzt.
Ein weiteres Synthesekonzept ermöglichte die Darstellung von hyperverzweigten Polyglycerin-Derivaten, die mit Donor- und Akzeptoreinheiten funktionalisiert waren. Zunächst wurden Alkin-funktionalisierte Donor- und Akzeptoreinheiten sowie Polyglycerin-azid synthetisiert. Die kovalente Verknüpfung letztgenannter Bausteine erfolgte anschließend über eine 1,3-dipolare Cycloaddition der polymeren Azide mit den Alkin-Gruppen der Chromophore ("Click-Chemie"). Es wurde eine Reihe von Polymeren mit verschiedenen Chromophordichten und Donor-Akzeptor-Verhältnissen dargestellt.
Die unterschiedlichen, hier dargestellten Donor-Akzeptor-Sensibilisatoren wurden in Farbstoffsolarzellen eingebracht. Außerdem wurden Zellen untersucht, die über Koadsorption mit einem Carboxy-funktionalisieten Donorchromophor und [Ru(dcbpy)2(NCS)2] als Akzeptorchromophor sensibilisiert waren. Folglich resultierten Solarzellen die (i) über die Dyade, (ii) über Polymere und (iii) über Koadsorption mit verschiedenen Donor-Akzeptor-Systemen funktionalisiert waren.
Die resultierenden Zellen wurden über Strom-Spanungs-, Transmissions- und EQE-Messungen charakterisiert (EQE = externe Quanteneffizienz). Daraus wurde unter anderem das Verhältnis der Kurzschlussströme (jbjg–1), die unter blauer und grüner Beleuchtung erzielt wurden, berechnet. jbjg–1 besagt, um welches Ausmaß sich der Strom der Solarzelle infolge des Energietransfers steigern lässt.
Die Energietransfereffizienz wurde aus den spektralen Eigenschaften der Solarzellen bestinmmt. Es wurde gezeigt, dass in allen drei Fällen hohe Energietransfereffizienzen vorlagen. In einigen Fällen wurde auch eine absolute Zunahme der Zelleffizienz unter Beleuchtung bei 470 nm erzielt. Der Vergleich der verschiedenen, hier untersuchten Methoden zum Einbringen des Donor-Chromophors zeigte, dass sich durch Koadsorption bereits eine Zunahme der monochromatischen Zelleffizienz erzielen lässt, die jedoch stärker ausgeprägt ist wenn Donor- und Akzeptor-Einheit kovalent gebunden vorliegen. Der relative Energietransfer-vermittelte Stromgewinn (jbjg–1) in den Solarzellen betrug mittels Sensibilisierung über Koadsorption 21%, über die Dyade 24% und über Donor-Akzeptor-Polymere bis zu 179% (im Vergleich zum Strom, der erzielt wurde, wenn ausschließlich die Akzeptor-Komponente innerhalb der jeweiligen Zellen bestrahlt wurde). Diese Werte belegen das Potential, das Energietransfersensibilisatoren für die Farbstoffsolarzelle besitzen.


SWD-Schlagwörter: Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer , Farbstoffsolarzelle , Ruthenium , Polymere , Photophysik , Fluoreszenz , Chemische Synthese , Titandioxid
Freie Schlagwörter (englisch): Click-Chemistry
Institut: Institut für Makromolekulare Chemie
Fakultät: Fakultät für Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Mülhaupt, Rolf (Prof. Dr.)
Quelle: Zwei Artikel in ChemPhysChem: DOI: 10.1002/cphc.200700170 und DOI: 10.1002/cphc.200700864
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 13.07.2007
Erstellungsjahr: 2007
Publikationsdatum: 01.07.2008
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