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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-80206
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8020/


Zhou, Yunfei

Bulk-heterojunction hybrid solar cells based on colloidal CdSe quantum dots and conjugated polymers

"Bulk-Heterojunction" Hybridsolarzellen basierend auf kolloidalen CdSe Quantenpunkten und konjugierten Polymeren

Dokument1.pdf (5.748 KB) (md5sum: 53e9c3e8a21ccb3950be9e80f4b31134)

Kurzfassung in Englisch

Emerging alternative photovoltaic technologies such as dye sensitized solar cells (DSSCs) and organic solar cells (OSCs) have recently gained much attention and are on the step of being commercialized. Bulk-heterojunction hybrid solar cells containing inorganic nanoparticles and semiconducting polymers are still lagging behind the DSSCs and fullerene derivative-based OSCs in respect of device performance. Nevertheless, hybrid solar cells have the potential to exceed better performance while still retaining the benefits such as low-cost, thin and flexible, and easy to produce, because NCs have the features of tunable bandgap, high absorption coefficient, and high intrinsic charge carrier mobility. In addition, it is possible to synthesize stable elongated or even branched- nanostructures on the length scale of 2-100 nm with desirable exciton dissociation and charge transport properties.
In this dissertation, the results of a research aiming at the development of bulk-heterojunction hybrid solar cells based on colloidal CdSe quantum dot (QDs) and conjugated polymers are presented. Both the materials and device structures are investigated and optimized systematically in respect of QD synthesis and post-synthetic modification, hybrid nanocomposites formation, and device fabrication, leading to an improvement of hybrid solar cells power conversion efficiency (PCE).
This dissertation begins with a general introduction of solar cells and organic/hybrid solar cells. The state-of-the-art development of bulk heterojunction hybrid solar cells is reviewed. Critical factors limiting the solar cell device performance are highlighted and strategies for further device improvement are demonstrated by giving recent examples from literature.
Highly reproducible synthesis methods for CdSe QDs are applied, leading to a narrow size distribution and excellent photophysical properties. Pre-heating of the hexadecylamine (HDA) ligand and aging of the Se-TOP precursor are proven as two critical parameters for synthesizing high quality QDs. The influence of the QD characteristics such as diameter, photoluminescence (PL) peak wavelength, and PL intensity on the performance of hybrid solar cells is studied, revealing that the synthesis conditions have a crucial impact on the QD surface quality, which can be partially detected by the PL intensity. As a result, high quality QDs are desirable for achieving efficient photovoltaic devices.
An effective post-synthetic hexanoic acid treatment on HDA-capped CdSe QDs before their integration into photovoltaic devices is demonstrated. Solar cells with optimized ratios of QDs to poly(3-hexylthiophene) (P3HT) exhibit PCEs of about 2.0%. A simple ligand sphere model is derived from PL quenching, TEM and dynamic light scattering results. The results indicate that an effective reduction of the immobilized ligand sphere is a crucial factor to enhance the device performance.
Furthermore, extended investigations on applying the hexanoic acid treatment to different ligand-capped (i.e. mixture of trioctylphosphine (TOP) and oleic acid (OA)) CdSe QDs are presented. The comparable performance of devices based on P3HT and different ligand capped QDs indicates that the acid treatment is generally applicable to QDs with TOP/OA ligands for improving device performance. In addition, lower bandgap polymer Poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b']-dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)] (PCPDTBT) has been used instead of P3HT as polymer part for the formation of the photoactive hybrid film. Here, optimized devices exhibit PCEs of 2.7% after spectral mismatch correction. This value is the highest reported one for spherical QD based hybrid solar cells. Comparison studies of P3HT and PCPDTBT based devices revealed that the improved PCEs in PCPDTBT:CdSe device can be mainly attributed to the increased short-circuit current density (Jsc) as a result of the improved match of the blend absorption with the solar emission spectrum, as supported by UV-Vis absorption and external quantum efficiency (EQE) measurements. In addition, it is demonstrated that low bandgap polymers which can harvest photons at longer wavelength region and have adequate energy levels are promising to be incorporated into hybrid solar cells.
Finally, a summary of the results is presented and an outlook for further investigations is given. In the additional appendix part, the pre-evaluation setup and procedure for solar cells fabrication and measurement in our lab are demonstrated.


Kurzfassung in Deutsch

Aufstrebende alternative Photovoltaik Technologien wie die Farbstoffsolarzellen und die organischen Solarzellen haben in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen und sind auf dem Wege kommerzialisiert zu werden. „Bulk-Heterojunction“ Hybridsolarzellen enthalten anorganische Nanopartikel und halbleitende Polymere und hinken in der Entwicklung noch hinter den Farbstoffsolarzellen und den Fulleren basierten organischen Solarzellen in puncto Solarzelleneffizienz hinterher. Dennoch habenHybridsolarzellen das Potential ihre Effizienz zu steigern unter Beibehaltung ihrer Vorteile wie Kostengünstigkeit, Flexibilität, geringe Dicke und leichte Herstellung. Desweiteren haben Nanokristalle den Vorteil, dass sich ihre Bandlücke einstellen lässt, sie einen großen Absorptionskoeffizienten besitzen und eine hohe intrinsische Mobilität der Ladungsträger vorweisen. Zusätzlich ist es möglich, elongierte oder sogar verzweigte Nanostrukturen auf einer Längenskala zwischen 2-100 nm herzustellen, die eine verbesserte Trennung der Ladungsträger sowie einen besseren Ladungstransport ermöglichen.
In dieser Dissertation werden Resultate über die Entwicklung von „Bulk-Heterojunction“ Hybridsolarzellen basierend auf kolloidalen CdSe Quantum Dots (QDs) und konjugierten Polymeren präsentiert. Beides, die Materialien und der Solarzellenaufbau sind untersucht und systematisch optimiert worden. Es werden die QD Synthese, die post-synthetische Modifikation der QDs, die Herstellung der hybriden Nanokomposite und die Herstellung der Solarzellen beschrieben, die zu einer Verbesserung der Effizienz der Hybridsolarzellen führt.
Die Dissertation beginnt mit einer generellen Einführung über Solarzellen und organischen- wie auch Hybridsolarzellen. Der Stand der Technik in der Entwicklung von Hybridsolarzellen wird zusammengefasst. Entscheidende Faktoren, die die Solarzelleneffizienz limitieren werden aufgezeigt und Strategien zu ihrer Verbesserung werden anhand von neueren Beispielen aus der Literatur gegeben.
Eine hoch reproduzierbare Synthesemethode für CdSe QDs wurde angewandt, die zu QDs mit einer geringen Grössenverteilung und exzellenten photophysikalischen Eigenschaften führte. Das Vorheizen des Hexadecylamin (HDA) Liganden sowie das Altern der Se-TOP Ausgangsverbindung haben sich dabei als notwendige Faktoren zur Synthese hochqualitativer QDs gezeigt. Der Einfluss der QD Größe und des resultierenden Emissionssignals einschließlich der Signalintensität auf die Effizienz entsprechender Hybridsolarzellen wurde untersucht. Es hat sich herausgestellt, dass die Synthesebedingungen einen großen Einfluss auf die Qualität der QD-Oberfläche hat, welche sich zum Teil in der Intensität der Photolumineszenz widerspiegelt, mit dem Resultat, dass hochqualitative QDs notwendig sind, um effiziente photovoltaische Zellen herzustellen.
Eine effektive postsynthetische Behandlung der HDA bedeckten CdSe QDs mit Hexansäure und die Integration der behandelten QDs in Solarzellen wird aufgezeigt. Solarzellen mit optimierten Mischungsverhältnissen aus QDs und Poly-3-hexylthiophen (P3HT) führen zu Zellen mit Effizienzen von 2,0%. Ein einfaches Liganden-Sphären Modell wurde zur Erklärung herangezogen, basierend auf Photolumineszenz Auslöschungsexperimenten, Ergebnisen der dynamischen Lichtstreuung und elektronenmikroskopischen Untersuchungen. Diese Experimente zeigten, dass die effektive Reduzierung der immobilisierten Ligandensphäre ein entscheidender Faktor für die Effizienzsteigerung der Solarzellen ist.
Desweiteren wurden intensive Untersuchungen des Hexansäure Behandlungsschrittes auch an CdSe QDs die die Oberflächenligandenmischung Ölsäure/Trioctylphosphin enthalten durchgeführt. Es wurden vergleichbare Solarzelleneffizienzen bei Verwendung dieser QDs mit P3HT gefunden, was die generelle Anwendbarkeit des Säurebehandlungsschrittes zeigt. Zusätzlich wurde das P3HT durch das Polymer Poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b']-dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazol)] (PCPDTBT) zur Bildung des photoaktiven Filmes ersetzt, welches eine kleinere Bandlücke besitzt. Hier zeigten optimierte Testsolarzellen Effizienzen von 2.7% nach Berücksichtigung des spektralen Korrekturfaktors („spectral mismatch correction“). Dieser Wert ist der höchste bisher erzielte für Hybridsolarzellen basierend auf sphärischen QDs. Vergleichende Studien zwischen P3HT und PCPDTBT basierten Hybridsolarzellen zeigen, dass die Effizienzsteigerungen von PCPDTBT:CdSe Solarzellen auf eine höhere Kurzschlussstromdichte zurückzuführen ist, die aufgrund der verbesserten Absorption der Energie des solaren Spektrums resultiert, was durch UV-Vis Absorptionsspektroskopie sowie durch Bestimmung der externen Quanteneffizienz bestätigt wird. Somit ergibt sich, dass Polymere mit einer kleinen Bandlücke, die zusätzlich Photonen mit größeren Wellenlängen absorbieren können und geeignete HOMO-LUMO Energienieveaus besitzen, vielversprechend für die Integration in Hybridsolarzellen sind.
Am Ende werden die Ergebnisse zusammengefasst und ein Ausblick für weitere Untersuchungen wird gegeben. Im Anhang werden der Messaufbau, der für die Vorevaluationen der Hybridsolarzellen verwendet wurde, beschrieben, ebenso wie die Fabrikation der Solarzellen und die Details zu den Solarzellenmessungen.


SWD-Schlagwörter: solar cell , CdSe nanocrystal , bulk-heterojunction , conjugated polymer , quantum dot
Freie Schlagwörter (englisch): solar cell , CdSe nanocrystal , bulk-heterojunction , conjugated polymer , quantum dot
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Urban, Gerald A. (Prof. Dr.), Krüger, Michael (Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 21.02.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 23.03.2011
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