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Electronic Structure of Solid-State Dye-Sensitized Solar Cells: Synchrotron Induced Photoelectron Spectroscopy on Nanocrystalline TiO2, Newly Developed Dyes and Spiro-MeOTAD

Pekkola, René :
Electronic Structure of Solid-State Dye-Sensitized Solar Cells: Synchrotron Induced Photoelectron Spectroscopy on Nanocrystalline TiO2, Newly Developed Dyes and Spiro-MeOTAD.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Electronic Structure of Solid-State Dye-Sensitized Solar Cells: Synchrotron Induced Photoelectron Spectroscopy on Nanocrystalline TiO2, Newly Developed Dyes and Spiro-MeOTAD
Language: English
Abstract:

The goal of this work was to investigate the solid-state dye-sensitized solar cell. The work was intended to contribute to the basic understanding of the function of this type of solar cell. This included a better understanding of the materials used in the solid-state DSSC and their processing. Moreover, different factors influencing the efficiency of the solid-state DSSC were investigated. The issues were coordinated with the cooporation partners BASF and Bosch.

The main part of this work was to investigate the organic hole conductor Spiro-MeOTAD by synchrotron induced photoemission spectroscopy (SXPS). Spiro-MeOTAD is used as a substitution for the liquid iodide/triiodide redox couple in solid-state dye-sensitized solar cells. For the in-situ preparation and measurement, drop-casting was used to deposit Spiro-MeOTAD wet chemically. Drop-casting is a method close to spin-coating which is normally used in industry. Because interface experiments can hardly be performed with drop-casting, PVD as a method which is suitable for interface experiments was applied. In order to investigate the equality of both methods, drop-casting and PVD were compared. Furthermore, the poor conductivity of Spiro-MeOTAD makes it necessary to dope the hole conductor. Therefore, the doping mechanisms of the dopants Li-TFSI and WO3 were investigated. Li-TFSI is a dopant widely used for Spiro-MeOTAD in solid-state DSSCs and WO3 was chosen as a model system. Furhermore, the interfaces of Spiro-MeOTAD to the substrate TiO2, different dyes and gold which is used as the back-contact in solid-state DSSCs were of special interest as the energetic lineup determines the efficiciencies of the solid-state DSSCs.

Another goal of this work was to determine the behavior and influence of sodium which is part of the TiO2 precursor on the solid-state DSSC. As TiO2 films prepared in different laboratories often lead to varying efficiencies of the cells using the same TiO2 precursor material and the same recipe, systematic ex-situ heat treatments using a hot plate and a heat gun were performed on different ex-situ prepared nc-TiO2 films.

Moreover, the influence of different anchor groups and additives on the energetic properties and allignments of ruthenium-free perylene dyes to the TiO2 electrode and the hole conductor Spiro-MeOTAD were investigated by SXPS.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Das Ziel der Arbeit war es die Solid-State Farbstoffsensibiliserte Solarzelle, insbesondere die dafür verwendeten Materialien und deren Prozessierung, zu untersuchen und zu dem Verständnis der Funktion dieser Art von Solarzelle beizutragen. Des Weiteren wurden verschiedene Faktoren, die die Effizienz der Solid-State DSSC beeinflussen, untersucht. Die Forschungsschwerpunkte wurden mit den Projektpartner BASF und Bosch abgestimmt. Der Hauptteil der Arbeit bestand darin den organischen Lochleiter Spiro-MeOTAD durch Synchrotron-induzierte Photoemissionsspektroskopie zu untersuchen. Spiro-MeOTAD wird als Ersatz für das flüssige Iodid/Triiodid in der Solid-State Version der DSSC verwendet. Für die In-Situ Präparation und Messungen wurde Spiro-MeOTAD nass-chemisch per Drop-Casting aufgebracht. Drop-Casting ist eine Methode, die dem Spin-Coating ähnelt, das wiederum üblicherweise in der Industrie eingesetzt wird. Da Grenzflächenexperimente nur schwer mit Drop-Casting durchgeführt werden können, wurde in dieser Arbeit die PVD angewandt. Des Weiteren wurden die Schichten, die mit beiden Methoden abgeschieden wurden, untersucht und auf Ihre Gleichheit untersucht. Die intrinsisch schlechte Leitfähigkeit des Spiro-MeOTADs macht eine Dotierung des Lochleiters notwendig. Deshalb, wurden die Dotiermechanismen der Li-TFSI und WO3 Dotanten untersucht. Li-TFSI ist ein gebräuchlicher Dotant für Spiro-MeOTAD in Solid-State DSSCs, währenddessen WO3 als Modelsystem gewählt wurde. Weiterhin waren die Grenzflächen zwischen Spiro-MeOTAD und dem Subtstrat TiO2, sowie verschiedenen Farbstoffen und Gold, welches als Rückkontakt in der Solid-State DSSC verwendet wird, von großem Interesse, da die energetischen Anpassungen die Effizienz der Solid-State DSSCs mitbestimmen. Ein anderes Ziel dieser Arbeit war das Verhalten und den Einfluss von Natrium, welches Teil des TiO2-Precursors ist, auf die Solid-State DSSC zu bestimmen. Da TiO2, die in verschiedenen Labors mit derselben Rezeptur und demselben Precursor präpariert wurden, oft zu unterschiedlichen Effizienzen der Solid-State DSSC führten, wurden systematische ex-situ Heizexperimente mit einer Heizplatte und einer Heißluftpistole sowie mit verschiedenen ex-situ präparierten nc-TiO2 Schichten durchgeführt. Weiterhin wurde der Einfluss verschiedener Ankergruppen und Additiven von Ruthenium-freien Perylen-Farbstoffen auf die energetischen Eigenschaften und Anpassungen zu der TiO2 –Elektrode sowie dem Lochleiter Spiro-MeOTAD per SXPS untersucht. German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Surface Science
Date Deposited: 12 Jun 2014 09:39
Last Modified: 12 Jun 2014 09:39
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-39845
Referees: Jaegermann, Prof. Dr. Wolfram and von Seggern, Prof. Dr. Heinz
Refereed: 9 April 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3984
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