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Silizium-Farbstoff-Hybridsysteme für die Photovoltaik

Weiler, Ulrich :
Silizium-Farbstoff-Hybridsysteme für die Photovoltaik.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2006)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Silizium-Farbstoff-Hybridsysteme für die Photovoltaik
Language: German
Abstract:

Diese Arbeit befasst sich mit der Herstellung und strukturellen Charakterisierung neuartiger Silizium-Farbstoff-Komposite. Die verwendete Deposition von mikrokristallinem Silizium mit dem Hot Wire-CVD-Verfahren (HWCVD) und organischer Moleküle stellt dabei ein bisher nicht bekanntes Verfahren dar. Die Arbeit beschreibt die Planung und den grundlegenden Aufbau der HWCVD-Depositionsanlage. Die Abscheidung von Silizium erfolgte unter Optimierung der Parameter Substrattemperatur, Prozessgasdruck und Silankonzentration in Wasserstoff auf die Kristallinität der Siliziumschicht. Einschränkungen ergaben sich aus der später erfolgenden Abscheidung des Farbstoffs ZnPc, die zum Beispiel eine möglichst geringe Substrattemperatur erfordert. Mit der Ramanspektroskopie wurde die Kristallinität des Siliziums ermittelt und die Molekülstruktur des Farbstoffs überprüft. Mit der optischen Transmissionsspektroskopie wurden die optischen Eigenschaften des Komposits und der Farbstoffschichten verglichen. In einer Kodeposition von Si und ZnPc konnte die chemische Stabilität des eingesetzten Farbstoffs sehr gut demonstriert werden. Die Kodeposition hatte allerdings die Folge, dass das Wachstum des Siliziums gestört wurde und sich lediglich eine amorphe Siliziummatrix ausbilden konnte. In einer sequentiellen Deposition konnte mit einer Substrattemperatur von etwa 260°C ein Komposit aus mikrokristallinem Silizium und einer hohen Konzentration an ZnPc erhalten werden. Einen Hinweis auf einen Ladungstransfer vom HOMO-Zustand und LUMO-Zustand des Farbstoffs in die Bänder des Siliziums gab ein Löschen des Fluoreszenzuntergrunds in den Ramanspektren. Die Ramanspektren zeigten, dass eine ausreichende Kristallinität und Korngröße des mikrokristallinen Siliziums die Vorraussetzung für das Löschen der Fluoreszenz darstellt. Ein direkter Nachweis des Ladungstransfers wurde mit Photoleitungsmessungen versucht. Durch den Einbau des ZnPc konnte ein Effekt als Erhöhung der Photoleitung festgestellt werden. In Grenzflächenexperimenten von verschieden fluorsubstituierten Zinkphthalocyaninen auf wasserstoffterminiertem Silizium sollten Grenzflächen in den Kompositen modelliert werden. Mit Photoelektronenspektroskopie wurde die Lage der HOMO-Zustände dieser Farbstoffe zur Valenzbandkante des Siliziums vermessen. Die Messungen ergaben, dass sich der energetische Abstand des HOMO-Zustands zur Valenzbandkante des Siliziums, wie nach theoretischen Überlegungen anhand der Ionisationspotentiale der Farbstoffe vorhergesagt, von ZnPc zu F16ZnPc vergrößert. Aus den Bandanpassungen dieser organischen Halbleiter auf wasserstoffterminiertem Silizium ergab sich, dass eine zukünftige Verwendung von F4ZnPc und F8ZnPc in den Kompositen nach diesen Ergebnissen als geeignet erscheint, den Ladungstransfer sowohl der Elektronen als auch der Löcher von den Farbstoffen zur Siliziummatrix zu ermöglichen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The preparation of inorganic/organic hybrid materials composed of silicon and the organic semiconductor zinc phthalocyanine (ZnPc) has been addressed in this work. Silicon was deposited in a hot-wire CVD (HWCVD) set-up, finding amorphous or microcrystalline silicon depending on the deposition parameter such as substrate temperature, gas pressure or dilution of silane in hydrogen. A thermal evaporation source was mount next to the hot-wire source in order to allow for PVD of ZnPc simultaneously. The layers where characterized by optical transmission measurements, Raman spectroscopy and x-ray and ultraviolet photoelectron spectroscopy (X/UPS). With these methods we got statements about changes in the materials in the pure state or as composite. It turned out that, when co-evaporating the dye along with silicon deposition with the deposition parameters expecting microcrystalline silicon, composite materials with the ZnPc where gained survived and embedded. However the silicon matrix only was consisting of amorphous silicon. So it can be deduced from these findings that the dye co-evaporation strongly disturbs the growth of microcrystalline silicon. The preparation routine was then changed to a sequential deposition of silicon and ZnPc. Increasing the substrate temperature from 210°C to 300 °C lead to an incremental shift of the organic/silicon ratio, showing a significant signal of microcrystalline silicon in the Raman spectrum at 260°C. Additionally, the fluorescence observed in the spectra of pure ZnPc and of composites at lower substrate temperature was quenched at 260°C and above. This is a hint to an electronic interaction between ZnPc and microcrystalline silicon. The photoconductivity of Si was increased by absorption of light in ZnPc, which proved the sensitization of Si by ZnPc. Modeling of the silicon/dye interface in the composite has been carried out by photoelectron spectroscopy measurements of thin dye layers on hydrogen terminated silicon wafers. In order to further adapt the organic species to the silicon electronically, it was investigated how a variety of different fluorine substituted zinc phthalocyanines and silicon are matching. According to the results of the photoelectron spectroscopy measurements it was discovered F4ZnPc and F8ZnPcto bet he best candidates for the future composites.English
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:51
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000702
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-7029
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Jaegermann, Prof.Dr. Wolfram and von Seggern, Prof.Dr. Heinz
Advisors: Jaegermann, Prof.Dr. Wolfram
Refereed: 17 February 2006
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/702
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