Bulk-heterojunction hybrid solar cells based on colloidal CdSe quantum dots and conjugated polymers [Elektronische Ressource] / Yunfei Zhou

Yunfei

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• Publié le: 01 janvier 2011
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Extrait

Bulk-heterojunction Hybrid Solar Cells Based on
Colloidal CdSe Quantum Dots and Conjugated Polymers



DISSERTATION
ZUR ERLANGUNG DES AKADEMISCHEN GRADES EINES
DOKTOR-INGENIEUR
DER TECHNISCHEN FAKULTÄT
DER ALBERT-LUDWIGS-UNIVERSTÄT FREIBURG IM BREISGAU

YUNFEI ZHOU
FREIBURG IM BREISGAU, 2011






















DEKAN: Prof. Dr. Hans Zappe
REFERENT: Prof. Dr. Gerald A. Urban (University of Freiburg)
KOREFERENT: Prof. Dr. Klaus Meerholz (Unviersity of Cologne)
DATUM DER DISPUTATION: 21.02.2011

Abstract
Emerging alternative photovoltaic technologies such as dye sensitized solar cells
(DSSCs) and organic solar cells (OSCs) have recently gained much attention and are
on the step of being commercialized. Bulk-heterojunction hybrid solar cells
containing inorganic nanoparticles and semiconducting polymers are still lagging
behind the DSSCs and fullerene derivative-based OSCs in respect of device
performance. Nevertheless, hybrid solar cells have the potential to exceed better
performance while still retaining the benefits such as low-cost, thin and flexible, and
easy to produce, because NCs have the features of tunable bandgap, high absorption
coefficient, and high intrinsic charge carrier mobility. In addition, it is possible to
synthesize stable elongated or even branched- nanostructures on the length scale of
2-100 nm with desirable exciton dissociation and charge transport properties.
In this dissertation, the results of a research aiming at the development of
bulk-heterojunction hybrid solar cells based on colloidal CdSe quantum dot (QDs)
and conjugated polymers are presented. Both the materials and device structures are
investigated and optimized systematically in respect of QD synthesis and
post-synthetic modification, hybrid nanocomposites formation, and device fabrication,
leading to an improvement of hybrid solar cells power conversion efficiency (PCE).
This dissertation begins with a general introduction of solar cells and organic/hybrid
solar cells. The state-of-the-art development of bulk heterojunction hybrid solar cells
is reviewed. Critical factors limiting the solar cell device performance are highlighted
and strategies for further device improvement are demonstrated by giving recent
examples from literature.
Highly reproducible synthesis methods for CdSe QDs are applied, leading to a narrow
size distribution and excellent photophysical properties. Pre-heating of the
hexadecylamine (HDA) ligand and aging of the Se-TOP precursor are proven as two
critical parameters for synthesizing high quality QDs. The influence of the QD
characteristics such as diameter, photoluminescence (PL) peak wavelength, and PL
intensity on the performance of hybrid solar cells is studied, revealing that the
synthesis conditions have a crucial impact on the QD surface quality, which can be
partially detected by the PL intensity. As a result, high quality QDs are desirable for
achieving efficient photovoltaic devices.
I
An effective post-synthetic hexanoic acid treatment on HDA-capped CdSe QDs
before their integration into photovoltaic devices is demonstrated. Solar cells with
optimized ratios of QDs to poly(3-hexylthiophene) (P3HT) exhibit PCEs of about
2.0%. A simple ligand sphere model is derived from PL quenching, TEM and dynamic
light scattering results. The results indicate that an effective reduction of the
immobilized ligand sphere is a crucial factor to enhance the device performance.
Furthermore, extended investigations on applying the hexanoic acid treatment to
different ligand-capped (i.e. mixture of trioctylphosphine (TOP) and oleic acid (OA))
CdSe QDs are presented. The comparable performance of devices based on P3HT and
different ligand capped QDs indicates that the acid treatment is generally applicable to
QDs with TOP/OA ligands for improving device performance. In addition, lower
bandgap polymer
Poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b']-dithiophene)-alt-4,7-(2,
1,3-benzothiadiazole)] (PCPDTBT) has been used instead of P3HT as polymer part
for the formation of the photoactive hybrid film. Here, optimized devices exhibit
PCEs of 2.7% after spectral mismatch correction. This value is the highest reported
one for spherical QD based hybrid solar cells. Comparison studies of P3HT and
PCPDTBT based devices revealed that the improved PCEs in PCPDTBT:CdSe device
can be mainly attributed to the increased short-circuit current density (J ) as a result sc
of the improved match of the blend absorption with the solar emission spectrum, as
supported by UV-Vis absorption and external quantum efficiency (EQE)
measurements. In addition, it is demonstrated that low bandgap polymers which can
harvest photons at longer wavelength region and have adequate energy levels are
promising to be incorporated into hybrid solar cells.
Finally, a summary of the results is presented and an outlook for further investigations
is given. In the additional appendix part, the pre-evaluation setup and procedure for
solar cells fabrication and measurement in our lab are demonstrated.
II
Deutsche Zusammenfassung
Aufstrebende alternative Photovoltaik Technologien wie die Farbstoffsolarzellen und
die organischen Solarzellen haben in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit auf sich
gezogen und sind auf dem Wege kommerzialisiert zu werden.
„Bulk-Heterojunction“ Hybridsolarzellen enthalten anorganische Nanopartikel und
halbleitende Polymere und hinken in der Entwicklung noch hinter den
Farbstoffsolarzellen und den Fulleren basierten organischen Solarzellen in puncto
Solarzelleneffizienz hinterher. Dennoch habenHybridsolarzellen das Potential ihre
Effizienz zu steigern unter Beibehaltung ihrer Vorteile wie Kostengü nstigkeit,
Flexibilitä t, geringe Dicke und leichte Herstellung. Desweiteren haben Nanokristalle
den Vorteil, dass sich ihre Bandlü cke einstellen lä sst, sie einen groß en
Absorptionskoeffizienten besitzen und eine hohe intrinsische Mobilitä t der
Ladungsträ ger vorweisen. Zusä tzlich ist es mö glich, elongierte oder sogar verzweigte
Nanostrukturen auf einer Lä ngenskala zwischen 2-100 nm herzustellen, die eine
verbesserte Trennung der Ladungsträ ger sowie einen besseren Ladungstransport
ermö glichen.
In dieser Dissertation werden Resultate ü ber die Entwicklung von
„Bulk-Heterojunction“ Hybridsolarzellen basierend auf kolloidalen CdSe Quantum
Dots (QDs) und konjugierten Polymeren prä sentiert. Beides, die Materialien und der
Solarzellenaufbau sind untersucht und systematisch optimiert worden. Es werden die
QD Synthese, die post-synthetische Modifikation der QDs, die Herstellung der
hybriden Nanokomposite und die Herstellung der Solarzellen beschrieben, die zu
einer Verbesserung der Effizienz der Hybridsolarzellen fü hrt.
Die Dissertation beginnt mit einer generellen Einfü hrung ü ber Solarzellen und
organischen- wie auch Hybridsolarzellen. Der Stand der Technik in der Entwicklung
von Hybridsolarzellen wird zusammengefasst. Entscheidende Faktoren, die die
Solarzelleneffizienz limitieren werden aufgezeigt und Strategien zu ihrer
Verbesserung werden anhand von neueren Beispielen aus der Literatur gegeben.
Eine hoch reproduzierbare Synthesemethode fü r CdSe QDs wurde angewandt, die zu
QDs mit einer geringen Grö ssenverteilung und exzellenten photophysikalischen
Eigenschaften fü hrte. Das Vorheizen des Hexadecylamin (HDA) Liganden sowie das
Altern der Se-TOP Ausgangsverbindung haben sich dabei als notwendige Faktoren
III
zur Synthese hochqualitativer QDs gezeigt. Der Einfluss der QD Grö ß e und des
resultierenden Emissionssignals einschließ lich der Signalintensitä t auf die Effizienz
entsprechender Hybridsolarzellen wurde untersucht. Es hat sich herausgestellt, dass
die Synthesebedingungen einen groß en Einfluss auf die Qualitä t der QD-Oberflä che
hat, welche sich zum Teil in der Intensitä t der Photolumineszenz widerspiegelt, mit
dem Resultat, dass hochqualitative QDs notwendig sind, um effiziente
photovoltaische Zellen herzustellen.
Eine effektive postsynthetische Behandlung der HDA bedeckten CdSe QDs mit
Hexansä ure und die Integration der behandelten QDs in Solarzellen wird aufgezeigt.
Solarzellen mit optimierten Mischungsverhä ltnissen aus QDs und
Poly-3-hexylthiophen (P3HT) fü hren zu Zellen mit Effizienzen von 2,0%. Ein
einfaches Liganden-Sphä ren Modell wurde zur Erklä rung herangezogen, basierend
auf Photolumineszenz Auslö schungsexperimenten, Ergebnisen der dynamischen
Lichtstreuung und elektronenmikroskopischen Untersuchungen. Diese Experimente
zeigten, dass die effektive Reduzierung der immobilisierten Ligandensphä re ein
entscheidender Faktor fü r die Effizienzsteigerung der Solarzellen ist.
Desweiteren wurden intensive Untersuchungen des Hexansä ure Behandlungsschrittes
auch an CdSe QDs die die Oberflä chenligandenmischung Ölsä ure/Trioctylphosphin
enthalten durchgefü hrt