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Polymer-Free Carbon Nanotube Based Solar Cells

Pfohl, Moritz :
Polymer-Free Carbon Nanotube Based Solar Cells.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Polymer-Free Carbon Nanotube Based Solar Cells
Language: English
Abstract:

Since their discovery in 1991 and 1994 by Iijima, multi walled (MWCNTs) and single walled carbon nanotubes (SWCNTs) have gained a lot of interest in the research community due to their unique mechanical (higher tensile strength than stainless steel), optical (multiple excitonic transitions) and electrical (intrinsic mobility of 105 cm2 V−1 s−1) properties. Being produced as black powder that contains roughly 1/3 metallic and 2/3 semiconducting nanotubes along with residual catalytic particles, carbon residues or defected nanotubes, it is important to further purify the raw nanotube powder to obtain pristine nanotubes only that can be used to exploit these remarkable properties. In order to incorporate SWCNTs as semiconducting channel material or as electrodes in transistors, it is of great importance to separate SWCNTs based on their electronic properties. Whereas, for optoelectronic applications, like photon emitters or solar cells it is necessary to sort semiconducting SWCNTs into chirality pure fractions with unique absorption features, i.e. the sorted nanotubes absorb at precise wavelengths (in the infrared, visible and UV). It is this ability to select SWCNTs with desired optical gaps that make SWCNTs an interesting material that also offers potential avenues to tailor or extend the light absorption within established solar cells. Through careful combination of the appropriate chiralities, a close match to the solar spectrum either in the visible or the infrared is possible. To realize this vision of tailored light absorption, large amounts of purified, electronic type sorted and chirality enriched SWCNTs are needed. In this thesis, an automated aqueous based gel permeation chromatography (GPC) is used to sort milligrams of polymer-free single chirality enriched nanotube material, where the exciton diffusion length is not limited by a wrapping polymer. Depending on the temperature, surfactant concentration and eluent differently coloured solutions are obtained that can be electronic type pure, chirality pure or a mixture of chiralities and/or electronic types. In order to prevent internal shorts, SWCNTs employed in solar cells need to obtain as little metallic nanotubes as possible. It is therefore crucial to easily and reliably characterize the sorted nanotube solutions with respect to the contained chiralities and semiconducting or metallic purity. One way of realizing such a characterization is optical absorption spectroscopy. A MATLAB® based program was developed throughout this thesis that is capable of addressing several issues involved in optical absorption spectroscopy of solutions: different approaches for background subtraction, the choice of different line profiles, the individual fit of the first or second transition (in the infrared and visible, respectively) or both at the same time and the inclusion of metallic nanotubes that allows for the evaluation of the metallic/semiconducting purity. Based on the spectral weight of each nanotube species identified in solution, absorbance spectra of carbon iv nanotube films can be fitted, where overlapping peaks are decongested into individual nanotube contributions. Following the sorting and characterization of single chirality SWCNTs, large-area films of (6,5) SWCNTs with uniform morphology are prepared using evaporation-driven self-assembly. The obtained SWCNT films are incorporated in an organic solar via a transfer process developed throughout this thesis that prevents the decomposition of hygroscopic layers in the solar cell. In conjunction with C60 a bi-layer organic solar cell with an all carbon donor and acceptor pair is formed. Transfer matrix calculations (TMCs) are employed to optimize the layer thicknesses of the solar cell in order to match the light intensity at the nanotubes first optical transition (in the infrared), their second transition (in the visible) or a combination thereof. The validity of this approach is verified by a detailed parameter study resulting in cutting edge internal quantum efficiency (IQE) of 86% through the nanotubes first transition. Having established a reliable solar cell architecture resulting in large IQE values for small diameter SWCNTs (large bandgap), the feasibility of preparing transparent organic solar cells from large diameter SWCNTs (small bandgap) in combination with C60 is tested by preparing organic solar cells from single chirality large diameter SWCNTs as well as mixtures of nanotubes with varying diameters. By carefully decongesting film absorption spectra and associated external quantum efficiency measurements, the nanotube diameter resulting in 0 % IQE is determined. Underlying mechanisms of this limit are discussed and possible strategies to circumvent this cut-off are presented in order to extend the absorption range beyond the (8,6) SWCNT with a diameter of 0.95 nm.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Seit ihrer Entdeckung im Jahre 1991 und 1994 durch Iijima, haben einzel- und mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (engl.: SWCNTs und MWCNTs) auf Grund ihrer einzigartigen mechanischen (höhere Zugfestigkeit als Stahl), optischen (mehrere exzitonische Übergänge) und elektrischen (intrinsische Mobilität von 105 cm2 V−1 s−1) Eigenschaften großes Interesse in der Forschungsgemeinschaft geweckt. Diese herausragenden Eigenschaften können nur dann gezielt genutzt werden, wenn das schwarze Nanoröhrenpulver, welches während der Produktion anfällt, weiter aufbereitet wird, um die in etwa 2/3 halbleitenden und 1/3 metallischen Nanoröhren von verbliebenen katalytischen Partikeln, Kohlenstoffrückständen oder defekten Nanoröhren zu trennen. Nach einer ersten Aufbereitung ist es unerlässlich die Nanoröhren aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaften weiter zu trennen, um sie beispielsweise in einem Transistor als Kanaloder Elektrodenmaterial einsetzen zu können. Für optoelektronische Anwendungen, z.B. im Bereich der Photonenemitter oder Solarzellen, hingegen kann es von Vorteil sein halbleitende SWCNTs anhand ihrer einzigartigen Absorptionseigenschaften (abhängig von der Chiralität der SWCNT) zu trennen, so dass alle Kohlenstoffnanoröhren den gleichen optischen Übergang haben (sowohl im infraroten, als auch im visuellen und ultravioletten Bereich). Erst durch die Errungenschaft Nanoröhren mit gewünschter optischer Bandlücke gezielt zu sortieren und anreichern zu können, haben sich mehrere Möglichkeiten eröffnet den Absorptionsbereich klassischer Solarzellen zu erweitern oder gar gezielt zu gestalten; beispielsweise kann durch sorgfältige Wahl bestimmter Chiralitäten das Sonnenspektrum im visuellen oder infraroten Bereich optimal ausgenutzt werden. Um die Vision von gezielter Lichtabsorption in die Tat umzusetzen, sind große Mengen aufbereiteter und nach elektrischer Eigenschaft und Chiralität getrennter SWCNTs nötig. In dieser Dissertation werden mit Hilfe von automatisierter Gel-Permeations-Chromatographie polymerfreie Kohlenstoffnanoröhren einer Chiralität im Milligramm Bereich sortiert, wobei die Diffusionslänge der Exzitonen nicht durch ein umgebendes Polymer beschränkt wird. Durch geschickte Wahl von Temperatur, Tensidkonzentration und Eluent können unterschiedlich gefärbte Lösungen erhalten werden, deren Nanoröhren entweder nach elektrischer Eigenschaft, Chiralität oder beidem getrennt wurden. Um interne Kurzschlüsse zu vermeiden dürfen Nanoröhren die in Solarzellen Verwendung finden nur einen Bruchteil und bestenfalls gar keine metallischen SWCNTs enthalten. Es ist deshalb unerlässlich die erhaltenen Nanoröhrenlösungen schnell und verlässlich auf ihren metallischen Gehalt und die Chiralitäten der gelösten SWCNTs hin zu untersuchen. Eine Möglichkeit diese Untersuchung vorzunehmen ist die optische Absorptionsspektroskopie. Im Laufe dieser Dissertation wurde ein auf MATLAB® basierendes Programm entwickelt, mit dem ii mehrere Herausforderungen der optische Absorptionsspektroskopie gelöst werden können; u.a. das Abziehen verschiedener Hintergründe, die Wahl unterschiedlicher Linienprofile, die Berechnung der Spektrenentfaltung des zweiten, ersten oder beider Absorptionsbereiche oder das Berücksichtigen zusätzlicher metallischer SWCNTs, das die Berechnung der metallischen oder halbleitenden Reinheit der Nanoröhrenlösung erlaubt. Durch Erhalt des spektralen Gewichts jeder einzelnen Chirlität in Lösung können auch breite und überlappende Absorptionsspektren von SWCNT Filmen zuverlässig in Anteile einzelner Nanoröhren aufgeteilt werden. Nach erfolgreicher Anreicherung und Charakterisierung einzelner Chiralitäten, werden großflächige Filme aus (6,5)er SWCNTs mit einheitlicher Morphologie mit Hilfe von „evaporationsgetriebener Selbstfertigung“ hergestellt. Die dadurch erhaltenen Nanoröhrenfilme werden mittels eines im Rahmen dieser Dissertation entwickeltem Übertragungsprozess, der die Zersetzung von hygroskopischen Schichten verhindert, in einer organischen Solarzelle integriert. In Kombination mit dem Fulleren C60 bilden die Nanoröhren eine zweilagige organische Solarzelle mit rein kohlenstoffhaltigem Donator- und Akzeptor-Paar. Transfer-Matrix-Berechnungen (engl.: TMC) werden eingesetzt, um die Lichtintensität an der Kontaktfläche von SWCNTs und C60 zu maximieren und um dadurch gezielt die Stromerzeugung durch den ersten (im Infraroten), den zweiten (im Visuellen) oder beide Absorptionsbereiche der Kohlenstoffnanoröhren zu erhöhen. Die Zuverlässigkeit dieses Ansatzes wird mit Hilfe einer umfangreichen Parameterstudie überprüft, wobei Spitzenwerte der internen Quanteneffizienz (IQE) von 86 % im Bereich des ersten Absorptionsbereichs der Nanoröhren erzielt werden. Erst durch das Entwickeln einer zuverlässigen Solarzellenarchitektur, mit der sich hohe IQE Werte für SWCNTs mit kleinem Durchmesser erzielen lassen, kann die Machbarkeit von transparenten Solarzellen mit Nanoröhren großen Durchmessers (kleine Bandlücke) in Verbindung mit C60 getestet werden. Hierfür werden organische Solarzellen sowohl mit SWCNTs einzelner Chiralität und großem Durchmesser als auch mit Mixturen unterschiedlichster Durchmesser gebaut. Durch sorgsame Spektrenentfaltung von Absorptionsmessungen einzelner Nanoröhrenfilme und der dazugehörigen externen Quanteneffizienzmessungen, wird der größte SWCNT Durchmesser ermittelt für den kein Strom mehr erzeugt werden kann und dessen IQE folgerichtig 0 % ist. Die zugrunde liegenden Zusammenhänge für einen nach oben hin beschränkten Durchmesser werden diskutiert und mögliche Strategien aufgezeigt, um den Bereich nutzbarer Kohlenstoffnanoröhren über die Grenze der (8,6)er SWCNT (Durchmesser 0.95 nm) hinaus zu erweitern.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Molecular Nanostructures
Date Deposited: 16 Feb 2018 13:21
Last Modified: 16 Feb 2018 13:21
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-72113
Referees: Krupke, Prof. Dr. Ralph and Jägermann, Prof. Dr. Wolfram
Refereed: 19 October 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7211
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  • Polymer-Free Carbon Nanotube Based Solar Cells. (deposited 16 Feb 2018 13:21) [Currently Displayed]
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