Entwicklung einer Nano-Komposit Solarzelle mit WS2 Absorber

Abstract

Wolfram- und Molybdändichalkogenide wurden als Absorber in einer Injektionssolarzelle eingesetzt, dabei wurden unterschiedliche nasschemische und elektrochemische Herstellungsmethoden getestet. Die Herstellung des TiO2-Substrats wurde optimiert, dabei stellte sich heraus, dass die für die Injektionssolarzelle besten Verfahren die Sol-Gel-Herstellung und die Sprühpyrolyse ist. Diese Verfahren lieferten poröse und dennoch mechanisch sehr stabile Schichten, was für die Funktionsweise der Zelle wichtig war. Außerdem wurde eine Blockierschicht für den FTO-Kontakt entwickelt. Alle Substrate wurden mittels XRD, REM und Dectac charakterisiert. Es wurden auch weitere Metalloxide als Substrate für die Injektionssolarzelle getestet, wie WO3, SnO2 und ZnO. Die TiO2 Substrate wurden mittels verschiedener Metalloxide wie Al2O3, MgO, Sc2O3 und Yt2O3 behandelt, um ihre Oberfläche zu verändern. Bei der Herstellung der Absorber wurden Chemical Bath Deposition, elektrochemische Abscheidung, inverse Mizellen und Herstellung von Nanoröhren getestet. Die fertigen Elektroden wurden mittels XRD, UV-Vis- Spektroskopie, Voltammetrie, Ramanspektroskopie, REM und TEM, spektralem Quantenwirkungsgrad und Oberflächenphotospannungsmessung charakterisiert. Es stellte sich heraus, dass die Carbonylmethode (CBD) die höchsten Photostromdichten von bis zu 1 mA/cm2 liefert (bei 50 mW/cm2 Lichtleistung), wenn WS2 als Absorber eingesetzt wird. Diese Methode wurde hinsichtlich Abscheideparameter wie Lösungsmittel, Dauer und Temperatur der Abscheidung optimiert. Die TiO2/WS2 Elektroden wurden mittels chemischer Behandlungen modifiziert. Dabei wurden unter anderem TWEEN 80 und Cystein eingesetzt. Beide Verbindungen verändern die Elektrode, jedoch wurde nur durch Cystein der Photostrom erhöht. Dies wird mit der besonderen Fähigkeit des Cysteins zur Elektronenleitung in eine Richtung erklärt. Die optimale Injektionssolarzelle hat diesen Untersuchungen zu Folge die Struktur: Floatglas/FTO/TiO2(Sol-Gel, behandelt mit TiCl4)/WS2 (Carbonylmethode, behandelt mit Cystein).

Different wet chemical and electrochemical methods have been used to deposit molybdenum- and tungsten- sulphides and selenides as absorbers in an injection solar cell. The production of TiO2, which has been used as a substrate, has been optimized. The best methods for making it were sol-gel and spray pyrolysis. These methods brought porous but mechanical stable TiO2 layer, which was important for the wet deposition of the absorber. A compact layer of TiO2 at the bottom of the substrate has also been developed. All substrates have been characterised by XRD, SEM and Dectac. Some other metal oxides have been tested as substrates, such as WO3, SnO2 and ZnO. The TiO2-Substrates were treated with Al2O3, MgO, Sc2O3 or Yt2O3 to change their surface. The absorbers were produced with chemical bath deposition, electrochemical deposition, inverse micelles and also nano tubes . The electrodes were characterized with XRD, UV-Vis-spectroscopy, Voltammetry, Raman Spectroscopy, SEM and TEM, Spectral Quantum Efficiency and the Surface Photovoltage Measurement. From all the deposition methods the carbonyl method gave the highest photocurrent of up to 1 mA/cm2 with WS2 as absorber. Deposition parameters of this method such as deposition time, deposition temperature and the solvent have been optimized. The TiO2/WS2 electrodes were optimized by chemical treatments with cysteine and TWEEN 80. Both chemicals change the electrode, but only cysteine improves the photocurrent. This has been interpreted as a special ability of cysteine to conduct electrons only in one direction. The optimal injection solar cell was made out of glass/FTO/sol-gel TiO2 (treated with TiCl4), and WS2 (carbonyl method), treated with cysteine.