Hybrid solar cells

Kozlik, Michael GND

Solarzellen sind als "alternative Energiequelle" mehr denn je im Fokus von Forschung und Entwicklung. Derzeit basieren praktisch alle kommerziell erhältlichen Module auf klassischen Halbleitermaterialien wie Silizium. Dieses ist in sehr hoher Reinheit und einkristallin verfügbar, woraus sehr gute Materialeigenschaften resultieren. Gewinnung und Reinigung sind allerdings sehr kostenintensiv und energieaufwendig. Insbesondere weist Silizium, im Vergleich zu Farbstoffmolekülen, einen sehr geringen Absorptionskoeffizienten auf. Durch Verwendung von organischen Halbleitern kann daher u.a. die Schichtdicke von Solarzellen drastisch reduziert werden. Neben d\"unnen Schichten verspricht man sich von günstiger Prozessierung erheblich niedrigere Herstellungskosten. Aufgrund anderer Transportmechanismen (Hopping-Transport) zeigen organische Halbleiter eine erheblich niedrigere Ladungsträgermobilität als anorganische Halbleiter (Bandtransport). Zudem ist in organischen Solarzellen nach der Photonenabsorption eine Trennung der noch gebundenen Ladungträger (Exzitonen) nötig. Die Kombination aus organischen und anorganischen Halbleitern für die Photovoltaik wird Hybrid-Solarzellen genannt. Hiervon verspricht man sich die Nutzung der hohen Absorbanz des organischen Materials und der guten Transporteigenschaften der verwendeten anorganischen Halbleiter. Bislang kamen hauptsächlich Polymere zum Einsatz. Wenig Erfahrung gibt es hingegen in der Kombination von anorganischen Halbleitern und kleinen Molekülen mit aromatischen Ringen. Diese zeigen gute optische Eigenschaften. Dies wurde in der vorliegenden Arbeit am Beispiel von Zink(II)-Phthalocyanin (ZnPc) nachgewiesen. Optische Spektroskopie wurde verwendet, um die optischen Konstanten, Schichtdicke und Rauigkeit der Schichten simultan zu bestimmen. Eine organisch-anorganische Grenzfläche innerhalb einer Hybrid-Solarzelle wurde aus ZnPc und Zinkoxid hergestellt und charakterisiert. Hierfür wurde mittels Photelektronenspektroskopie der Verlauf der Bandstruktur innerhalb des Bauelemtes nachvollzogen. Mit Hilfe dieser Methode wurden Abschätzungen für die Leerlaufspannung getroffen und anhand von Strom-Spannungs-Kennlinien überprüft. Die Kennlinien weisen einen sehr geringen Photostrom auf. Die Ursache dafür scheint eine schlechte Exzitonendissoziation zu sein. Hierfür wurden zwei Verbesserungsansätze gewählt. Zum einen wurde die Bandstruktur mittels Dotierung modifiziert, um die Energie zu erhöhen, welche für die Exzitonentrennung zur Verfügung steht. Zum anderen sollte durch Nanodrähte die Distanz zum dissoziationsverursachenden p-n-Übergang verringert werden, um so in die Reichweite der Exzitonen zu gelangen. Anhand von spektral aufgelösten Photostrommessungen konnte die Exzitonendiffusionslänge auf 16 nm bestimmt werden. Eine Steigerung der Effizienz wurde leider nicht erzielt.

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Kozlik, Michael: Hybrid solar cells. 2014.

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