title: Optimization and characterization of n- and p-type DSSCs: A road toward feasible tandem DSSCs
title: Optimierung und Charakterisierung von n- und p-Typ DSSCs: Ein Weg zu realisierbaren Tandem DSSCs
Creators: name: Fröhlich (Name At Birth Schol), Peter R.
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2025
Subjects: subject: Photophysics
subject: Dye-sensitized solar cell
subject: Photovoltaic
subject: Photochemistry
subject: Multiexciton generation
subject: Semiconductor
subject: Photosensitizers
subject: DDC Classification::5 Naturwissenschaften
subject: DDC Classification::5 Naturwissenschaften::54 Chemie
subject: DDC Classification::5 Naturwissenschaften::54 Chemie::541 Physikalische Chemie

description: Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 4056 4060, DOI: 10.1002/anie.201812397. Adv. Energy Mater. 2022, 12, 2103662, DOI: 10.1002/aenm.202103662. Solar Energy 2023, 250, 1 9, DOI: 10.1016/j.solener.2022.12.003. Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202409363, DOI: 10.1002/anie.202409363.
description: Together, coal, gas, and oil possess the largest footprint of greenhouse gases on this planet. These fossil resources are mainly used to generate heat and electricity. Subsequently, the energy sector has proven hazardous to our planet's sensitive ecosystem and susceptible to shortages due to political, geographical and social conflicts. To secure a stable and reliant supply of heat and energy mankind must leave fossil fuels in the past and embrace renewable energy. Especially the sun represents a practically undepletable reservoir of energy that nearly every country in the world has access to. The photovoltaic technology, however, still leaves much to be desired. In order to guarantee a stable energy supply in the future, efficiencies must be greatly improved and novel working principles must evolve. Dye-sensitized solar cells are one promising technology, which researchers have been focusing on since 1991. This thesis covers the investigation and optimization of different components of the dye-sensitized solar cell technology. In order to fully study these compounds an arsenal of characterization methods was undertaken. First, the photophysical properties were determined utilizing steady-state absorption as well as emission spectroscopy, transient absorption spectroscopy on the femto- and nano-second timescale, and diffuse reflectance. Second, the photoelectric properties were characterized with current-voltage measurements, incident-photon-to-current efficiency, and electrochemical impedance spectroscopy. Additional topographic information was gained by profilometry and atomic force microscopy. This thesis comprises two parts covering a total of four projects. Each part focuses on one component of a dye-sensitized solar cell. In the first part, the investigation and optimization of both n- and p-type semiconductors generated a good foundation for further research. The first project compared the performance of two p-type semiconductors, NiO and CuO, with each other. Single-junction and double-junction architectures were investigated. The goal was to successfully control the fill factor and interfacial charge transfer in order to optimize the performance of these devices. The second project shifted the attention to n-type semiconductors and focused on the combination of intrinsic and extrinsic incorporation into ZnO-based devices. Here, the main idea was fine-tuning energy levels in order to control the charge injection and recombination processes as well as to enhance the conductivity of the semiconductor layer. For the second part of this thesis, relying on the foundation established in the first part, the focus shifted towards the photosensitizers. In the third project, a perylene-monoimide dye was investigated in a p-type single-junction device. Focusing on multi-exciton generation the main goal of this project was the elucidation and subsequently the control of the deactivation pathway. The final project changed directions and focused on broadening the absorption wavelengths making the nIR region accessible for solar energy conversion schemes. The fusion of polycyclic aromatic hydrocarbons to porphyrins via 5-membered rings leads to an increase in biradicaloid character, which greatly changes the deactivation pathway creating fast deactivating non-radiative chromophores.
description: Kohle, Gas und Öl stellen zusammen den größten Beitrag an Treibhausgasen auf unserem Planeten. Diese fossilen Brennstoffe werden hauptsächlich zur Erzeugung von Wärme und Elektrizität verwendet. Daraus resultierend hat sich der Energiesektor als gefährlich für das empfindliche Ökosystem unseres Planeten erwiesen und ist aufgrund politischer, geografischer und sozialer Konflikte anfällig für Engpässe. Um eine stabile und verlässliche Wärme- und Energieversorgung zu sichern, muss die Menschheit fossile Brennstoffe hinter sich lassen und sich auf erneuerbare Energien fokussieren. Insbesondere die Sonne stellt ein praktisch unerschöpfliches Energiereservoir dar, das fast jedem Land der Welt zugänglich ist. Allerdings besitzt die photovoltaische Technologie noch einige Limitationen. Um die Energieversorgung in der Zukunft zu gewährleisten, müssen die Effizienzen stark verbessert und neuartige Funktionsprinzipien erforscht werden. Farbstoffsolarzellen sind dabei eine vielversprechende Technologie, mit der sich die Forschung seit 1991 befasst. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung und Optimierung verschiedener Komponenten der Farbstoffsolarzellentechnologie. Für die umfassende Untersuchung dieser Komponenten ist ein Arsenal an unterschiedlichen Charakterisierungsmethoden erforderlich. Für die photophysikalische Charakterisierung wurden stationäre Absorptions- und Emissionsspektroskopie, transiente Absorptionsspektroskopie im Femto- und Nanosekundenbereich und diffuse Reflexion eingesetzt. Bei der photoelektrischen Charakterisierung kamen Strom-Spannungs-Messungen, Quanteneffizienzmessungen und elektrochemische Impedanzspektroskopie zum Einsatz. Zusätzliche topografische Informationen wurden durch Profilometrie und Rasterkraftmikroskopie gewonnen. Diese Dissertation ist in zwei Teile untergliedert, von denen jeder zwei Projekte umfasst. Die Teile konzentrieren sich dabei jeweils auf eine Hauptkomponente der Farbstoffsolarzellentechnologie. Im ersten Kapitel wird durch die Untersuchung und Optimierung von n- und p-dotierten Halbleitern eine gute Grundlage für weitere Forschung geschaffen. Das erste Projekt vergleicht dabei die Leistungsfähigkeit der beiden p-dotierten Halbleiter NiO und CuO. Untersucht werden Einzel- und Mehrfachsolarzellenarchitekturen. Ziel ist es, den Füllfaktor und den Ladungstransfer an der Grenzfläche erfolgreich zu kontrollieren, um die Ausgangsleistung der Zellen zu optimieren. Das zweite Projekt befasst sich mit n-dotierten Halbleitern und dem parallelen intrinsischem und extrinsischem Einbau in ZnO-basierte photovoltaische Zellen. Hier liegt der Schwerpunkt auf der Feinabstimmung der Energieniveaus, um die Ladungsinjektion und die Rekombinationsprozesse zu kontrollieren sowie die Leitfähigkeit der Halbleiterschicht zu verbessern. Das zweite Kapitel, welches auf die Grundlagen aus dem ersten Teil aufbaut, legt den Schwerpunkt auf die photoaktiven Farbstoffe. Hierzu wird im dritten Projekt ein Perylenmonoimidfarbstoff in p-dotierten Einzelfarbstoffsolarzellen untersucht. Die Untersuchung legt ihren Schwerpunkt auf die Multiexzitonenerzeugung mit dem Hauptziel der Aufklärung und anschließende Kontrolle des Deaktivierungspfades. Das letzte Projekt verlagert den Fokus auf die Verbreiterung der Absorptionswellenlängen, wodurch der nIR-Bereich für Solarenergieumwandlungssysteme zugänglich wird. Die Fusion von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen mit Porphyrinen über 5-gliedrige Ringe führt zu einem Anstieg des biradikaloiden Charakters. Dieser verändert den Deaktivierungsweg erheblich und schafft schnell deaktivierende, nicht emittierende Farbstoffmoleküle.