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Enhancing the Light Absorption of Solar Cells with Carbon Nanotubes

Wieland, Laura (2023)
Enhancing the Light Absorption of Solar Cells with Carbon Nanotubes.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024205
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Enhancing the Light Absorption of Solar Cells with Carbon Nanotubes
Language: English
Referees: Krupke, Prof. Dr. Ralph ; Hofmann, Prof. Dr. Jan Philipp ; Kirsch, Prof. Dr. Peer ; Colsmann, Prof. Dr. Alexander
Date: 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xiv, 143 Seiten
Date of oral examination: 16 June 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00024205
Abstract:

The energy demand of the world is growing fast, it is therefore one of the greatest scientific challenges to develop energy sources or techniques to satisfy those future demands. Solar cells have aroused attention as clean energy source due to their light harvesting ability while being easy to install everywhere. The inorganic silicon solar cells still dominate the market due to the silicon’s abundance in semiconductor industry, their high efficiency and high-stability which results in a great performance-to-cost ratio. Rapid advances in emerging fields have led to high efficiencies of third generation solar cells like perovskite devices that are already comparable to silicon solar cells. Organic photovoltaics are also catching up with regard to efficiency, in the last 5 years they have developed from 12 % to over 18 % based on new organic semiconductor materials. This performance increase of the last years can be attributed to the development of non-fullerene acceptors (NFA), which typically consists of a fused ring system. Their broad spectral absorption is advantageous compared to standard fullerene acceptors, as well as the higher extinction coefficient and tunability of energy levels for tailored donor/acceptor pairs. Simpler and environmentally friendly synthesis routes and thus lower costs are required for the breakthrough of organic solar cells.

Carbon nanotubes (CNTs) are a versatile material with multiple potential functions for organic photovoltaics. In principle, all elements of a solar cell, from the light sensitive component to carrier selective contacts, layers for passivation and transparent conducting films can be replaced by carbon nanotubes and their composites. The barriers to their application in industry are diminishing rapidly like the advanced dispersion and separation techniques with dramatically increase in yield and purity of single chiral species. Currently, polymer-sorting in toluene is a simple procedure which achieves high purity, but yields are low. On the other hand, aqueous sorting provides access to many more chiral species and higher yields.

The narrow absorption bands and the tailorable electronic property of CNTs are useful for transparent electrodes and hole transport layers. Especially, CNTs as a passivation layer and hole selective contact in silicon photovoltaics have already been demonstrated to be competitive with current industrial cells. However, CNTs in the active layer of organic solar cells still face many challenges that need to be addressed. Primarily these are associated with improvements in the light absorption of the solar cells and the correspondingly low efficiency. In the thesis, different species of SWCNTs were tested to show that is possible to use the entire range of semiconducting CNTs (small and large diameter) and strategies to reduce excitonic trapping in mixtures of several species are required. The interesting questions for CNT based solar cells are what kind of nanotubes are favourable in PV and how can those be integrated into a device.

Improving the light absorption of CNT/C60 cells is highly desired and can be accomplished by exchanging established materials like fullerene acceptors or adding materials such as dyes which absorb photons in other spectral regions. In this regard, CNTs can be used as cavity for dyes which have to transfer their absorbed energy to the nanotube to gain higher efficiencies. The replacement of fullerene acceptors with non-fullerene acceptors serves the purpose of broader light absorption and can simultaneously provide a solution to the accessibility issue of larger diameter CNTs.

Nevertheless, the CNT film thickness will still be limited by the short exciton diffusion length. Considering this limitation, it is important to continue research on blended systems to optimize morphology and suppress recombination. The light absorption of such bulk heterojunctions can be completed by changing to broadband components or the addition of a third material that ideally facilitates a cascade for electron transfer. This strategy has a much higher probability of reaching competitive efficiencies because these ternary systems are built on established materials combinations. Alternatively, CNT based solar cells can be combined with established photovoltaic devices to a tandem stack for absorption extension into the infrared.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Der Energiebedarf der Welt wächst schnell, daher ist es eine der größten wissenschaftlichen Herausforderungen, Energiequellen oder -techniken zu entwickeln, um diesen zukünftigen Bedarf zu decken. Solarzellen haben Aufmerksamkeit als saubere Energiequelle erregt, da sie einerseits die Fähigkeit besitzen Licht in Strom umzuwandeln und andererseits einfach zu installieren sind. Die anorganischen Silizium-Solarzellen dominieren nach wie vor den Markt, da Silizium in der Halbleiterindustrie im Überfluss vorhanden ist, sie eine hohe Effizienz sowie eine hohe Stabilität aufweisen, was zu einem hervorragenden Preis-Leistungs-Verhältnis führt. Rasche Fortschritte haben zu hohen Wirkungsgraden von Solarzellen der dritten Generation wie Perowskit-Zellen geführt, die nun mit Siliziumsolarzellen vergleichbar sind. Auch die organische Photovoltaik holt in Bezug auf den Wirkungsgrad auf. In den letzten 5 Jahren hat sich dieser aufgrund neuer organischer Halbleitermaterialien von 12 % auf über 18 % entwickelt. Diese Leistungssteigerung der letzten Jahre kann auf die Entwicklung von Nicht-Fulleren-Akzeptoren (NFA) zurückgeführt werden, die in der Regel aus einem gekoppelten Ringsystem bestehen. Die breite spektrale Absorption der NFA ist vorteilhaft im Vergleich zu den sonst üblichen Fulleren-Akzeptoren, ebenso wie der höhere Extinktionskoeffizient und die Anpassbarkeit der Energieniveaus für maßgeschneiderte Donor/Akzeptor-Paare. Einfachere und umweltfreundliche Synthesewege, die geringere Kosten verursachen, sind daher noch nötig für einen Durchbruch organischer Solarzellen.

Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) sind ein vielseitiges Material mit zahlreichen potenziellen Funktionen in organischen Photovoltaikzellen. Im Prinzip können alle Elemente einer Solarzelle, von der lichtempfindlichen Komponente bis hin zu selektiven Kontakten für bestimmte Ladungsträger, Passivierungsschichten und den transparenten Elektroden, durch Kohlenstoffnanoröhren ersetzt werden. Die Hindernisse für ihre Anwendung in der Industrie schwinden schnell z.B. durch die fortgeschrittenen Dispergier- und Sortierungstechniken, die die Ausbeute und Reinheit einzelner chiraler Spezies drastisch erhöhen. Derzeit ist die Polymersortierung in Toluol ein einfaches Verfahren, mit dem eine hohe Reinheit erreicht wird, aber die Ausbeute ist gering. Die wässrige Sortierung hingegen ermöglicht den Zugang zu viel mehr chiralen Spezies und höheren Ausbeuten.

Die schmalen Absorptionsbanden und die anpassbaren elektronischen Eigenschaften von CNTs sind für transparente Elektroden und Schichten zum Transport von Löchern nützlich. Insbesondere CNTs als Passivierungsschicht und als loch-selektiver Kontakt in der Siliziumsolarzelle haben sich bereits als wettbewerbsfähig erwiesen im Vergleich zu aktuellen industriellen Zellen. Für CNTs in der aktiven Schicht von organischen Solarzellen bestehen jedoch noch viele Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt. Diese stehen vor allem im Zusammenhang mit der Verbesserung der Lichtabsorption der Solarzellen und dem damit verbundenen geringen Wirkungsgrad. In der Dissertation wurden verschiedene Arten von SWCNTs getestet, um zu zeigen, dass es möglich ist, das gesamte Spektrum halbleitender Kohlenstoff-Nanoröhren (kleiner und großer Durchmesser) zu verwenden, und dass Strategien zur Verringerung der Exzitonenfallen in Mischungen mehrerer Arten erforderlich sind. Die interessanten Fragen für CNT-basierte Solarzellen sind, welche Art von Nanoröhren sind in der Photovoltaik vorteilhaft und wie können diese in ein Zelle integriert werden.

Die Verbesserung der Lichtabsorption von CNT/C60-Solarzellen ist sehr gefragt und kann durch den Austausch etablierter Materialien wie z.B. Fulleren-Akzeptoren erreicht werden oder durch die Zugabe von Materialien wie Farbstoffen, die Photonen in anderen Spektralbereichen absorbieren. In diesem Zusammenhang können CNTs als Hohlraum für Farbstoffe verwendet werden, die wiederum ihre absorbierte Energie auf das Nanoröhrchen übertragen müssen, um höhere Wirkungsgrade zu erzielen. Der Ersatz von Fulleren-Akzeptoren durch Nicht-Fulleren-Akzeptoren dient dem Zweck einer breiteren Lichtabsorption und kann gleichzeitig eine Lösung für das Problem bieten, Kohlenstoff-Nanoröhren mit größerem Durchmesser zugänglicher zu machen.

Dennoch ist die Dicke der CNT-Schicht durch die kurze Diffusionslänge der Exzitonen begrenzt. In Anbetracht dieser Einschränkung ist es wichtig, die Forschung an gemischten Systemen fortzusetzen, um die Morphologie zu optimieren und die Rekombination zu unterdrücken. Die Lichtabsorption solcher Bulk-Heterojunctions kann durch den Wechsel zu breitbandigen Komponenten oder die Zugabe eines dritten Materials vervollständigt werden, das im Idealfall eine Kaskade für den Elektronentransfer ermöglicht. Diese Strategie hat eine viel höhere Wahrscheinlichkeit, wettbewerbsfähige Effizienzen zu erreichen, da diese ternären Systeme auf etablierten Materialkombinationen aufbauen. Alternativ können CNT-basierte Solarzellen mit etablierten Photovoltaikzellen zu einem Tandem kombiniert werden, um deren Absorption in den Infrarotbereich zu erweitern.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-242050
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 500 Science
500 Science and mathematics > 530 Physics
500 Science and mathematics > 540 Chemistry
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Molecular Nanostructures
Date Deposited: 20 Jul 2023 12:10
Last Modified: 24 Jul 2023 12:37
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/24205
PPN: 509856357
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