Preparation and Characterization of Novel and Eco-Friendly Hybrid Organic: Inorganic Solar Cells

Abstract

Emerging alternative photovoltaic (PV) technologies like Grätzel and polymer based solar cells offer an alluring way for simple and low cost PV production. In the photovoltaics research and development area, the main goal is to fabricate a low cost photovoltaic device with a sufficient stability and high efficiency. The organic:inorganic hybrid solar cells (HSCs) containing inorganic nanoparticles such as TiO2/ZnO and semiconducting polymers such as P3HT are still behind emerging alternative photovoltaics. In spite of that, hybrid solar cells have the potential to grow towards better performance. They offer several benefits compared to polymer based solar cells such as low-cost, thin and easy to produce. Furthermore TiO2/ZnO, are abundant materials. The goal of this dissertation was the preparation and characterization of hybrid polymer:metal oxide solar cells. An important aspect of this work was the realization of an efficient 3-dimensional interpenetration nanonetwork of polymers as hole conductors/photo-active layer and metal oxides as electron acceptors/conductors. Initially, in this research the mesoporous TiO2 nanostructured oxide layer electrodes were prepared and sensitized with different dyes. Poly-3(hexylthiophene) (P3HT) was deposited above metal oxide electrodes as a photoactive and hole transporting material and a structured way of complete device fabrication was developed. IV-characterizations and various opto-electrical measurements were performed for better understanding the physical properties of these nanostructured devices. As an alternative approach, copper phthalocyanine (CuPc) as a hole conductor/photo active layer was vacuum sublimated above TiO2 electrodes with and without dye sensitization. In these types of structured devices the IV-characterizations along with charge transport and charge separation properties were investigated by using a variety of opto-electrical characterization techniques. Towards the development and preparation of eco-friendly hybrid solar cells, the dye and P3HT were replaced by water soluble conjugated polymer. The water soluble polymer was used as a hole transporting and photo-active layer. The opto-electric and morphological properties were systematically studied for some of the water soluble conjugated polymers. The bestperforming polymer was processed by an alternative new processing method and introduced above different TiO2 electrodes. Complete solar cells were built in this way and IV-characteristics were investigated. Towards the end of this work, conclusions are summarized and as an outlook the poly(isothianaphthene) (PITN) oligomer precursor solution polymerization into the metal oxide layers was studied. This stands as a principle for future development of solar cells by using this novel photoactive and hole transporting material for the complete filling of mesoporous nano-oxide layers with polymers.

Opkomende alternatief fotovoltaïsche (PV) technologieën zoals Grätzel en polymeer gebaseerde zonnecellen bieden een aantrekkelijke manier voor eenvoudige en goedkope PV-productie. In de onderzoek en ontwikkeling van fotovoltaïsche zonne-energie is het belangrijkste doel een zonnecelprototype te fabriceren met een voldoende stabiliteit en een hoog rendement tegen een zo laag mogelijke kost. De organische:anorganische hybride zonnecellen (HSC's) met anorganische nanodeeltjes zoals TiO2/ZnO en halfgeleidende polymeren zoals P3HT staan nog steeds achter qua ontwikkeling in de opkomst van alternatief zonne-energie. Ondanks het voornoemde hebben hybride zonnecellen het potentieel om te groeien naar een betere prestatie. Ze bieden een aantal voordelen ten opzichte van polymeer gebaseerde zonnecellen, zoals een lage kost en ze zijn dun en eenvoudig te produceren. Verder is het zo dat TiO2/ZnO in overvloed aanwezige materialen zijn. Het doel van dit proefschrift was de voorbereiding en karakterisering van hybride polymeer: metaal-oxide zonnecellen. Een belangrijk aspect van dit werk was de realisatie van het efficiënte 3-dimensionale bi-continu nanonetwerk van polymeer als gatengeleider/foto-actieve laag en metaaloxide als elektronengeleider/acceptor. In eerste instantie werden de mesoporeuze TiO2 nano-gestructureerde oxidelagen/elektroden voorbereid en gesensibiliseerd met verschillende kleurstoffen. Poly-3(hexylthiophene) (P3HT) werd gecoat boven metaaloxide elektroden als een foto-actief materiaal en gatengeleider en een gestructureerde manier van volledige zonnecelfabricage werd ontwikkeld. IV-karakteriseringen en verschillende opto-elektrische metingen werden uitgevoerd voor een beter begrip van de fysische eigenschappen van deze nano-gestructureerde zonnecellen. Als een alternatieve benadering werd koper-ftalocyanine (CuPc) als een gatengeleider/foto-actieve laag vacuüm gesublimeerd boven TiO2 elektroden met en zonder kleurstofsensibilisering. In dit soort gestructureerde zonnecellen werden de IV-karakteriseringen samen met ladingstransport- en ladingsscheiding-eigenschappen onderzocht door middel van verschillende opto-elektrische karakteriseringstechnieken. Tijdens de ontwikkeling en voorbereiding van de eco-vriendelijke hybride zonnecellen werden de kleurstof en P3HT vervangen door een water oplosbaar geconjugeerd polymeer. Het water oplosbare polymeer werd gebruikt als een gatengeleider en foto-actieve laag. De opto-elektrische en morfologische eigenschappen werden systematisch onderzocht voor een aantal van de in water oplosbare geconjugeerde polymeren. De best presterende polymeer werd verwerkt door een nieuwe alternatieve verwerkingsmethode en geïntroduceerd boven verschillende TiO2 elektroden. Complete zonnecellen werden gebouwd op deze manier en de IV-kenmerken werden onderzocht. Tegen het einde van dit werk werden de conclusies samengevat en als een visie voor toekomstige ontwikkeling de poly(isothianaphthene) (PITN) oligomeer precursor-oplossing polymerisatie in het metaaloxide lagen wordt bestudeerd. Dit staat als een principe voor de toekomstige ontwikkeling van zonnecellen door het gebruik van deze nieuwe foto-actieve en gatengeleidende materialen voor de volledige vulling van mesoporeuze nano-oxide lagen met polymeren.