AT509400A1 - SOLUTIONS FOR THE MANUFACTURE OF HOMOGENOUS LARGE-SCALE PHOTOACTIVE LAYERS COMPRISING AN ELECTROACTIVE POLYMER AND SEMICONDUCTORING OPERATIONS AND THEIR APPLICATION IN PHOTOVOLTAICS AND OPTOELECTRONICS - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung liegt im Gebiet der Nanotechnologie mit Hinblick auf eine Anwendung in der Photovoltaik und Optoelektronik. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, Halbleiternanopartikel direkt (in situ) in unterschiedlichsten Polymer-Matrizen herzustellen. Die so erhaltenen Nanokompositschichten können zur Herstellung von Halbleiter-Bauteilen, wie zum Beispiel Solarzellen verwendet werden.The invention is in the field of nanotechnology with a view to use in photovoltaics and optoelectronics. The process according to the invention makes it possible to produce semiconductor nanoparticles directly (in situ) in a wide variety of polymer matrices. The resulting nanocomposite layers can be used for the production of semiconductor devices, such as solar cells.
Description
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Die Erfindung liegt im Gebiet der Nanotechnologie mit Hinblick auf eine Anwendung in der Photovoltaik und Optoelektronik. Durch diese Methode ist es möglich Halbleiternanopartikel direkt (in situ) in unterschiedlichsten Polymer-Matrizen herzustellen. Die so erhaltenen Nanokompositschichten (Mischung aus anorganischen Nanostrukturen mit einem Polymer) können zur Herstellung von Halbleiter-Bauteilen wie zum Beispiel Solarzellen (Nanokomposit-Solarzellen) verwendet werden.The invention is in the field of nanotechnology with a view to use in photovoltaics and optoelectronics. This method makes it possible to produce semiconductor nanoparticles directly (in situ) in a wide variety of polymer matrices. The resulting nanocomposite layers (mixture of inorganic nanostructures with a polymer) can be used for the production of semiconductor components such as solar cells (nanocomposite solar cells).
Nanokomposit-Solarzellen sind eine Alternative zu anorganischen Solarzellentechnologien, da diese kostengünstiger und energieeffizienter produziert werden können.1 Die Aktivschichten von Nanokomposit-Solarzellen bestehen aus anorganischen Nanostrukturen und elektroaktiven Polymeren. Als anorganische Nanopartikel-Komponente werden Materialien wie CdSe,2,3 CdTe4,5 CdS,6 CIS,7’8 CulnSe2,9’10 PbS,11’12’13’14 PbSe,15’16 HgTe,17 Ti02,18,1920,21 ZnO2223,24,2526 oder (Zn,Mg)027, aber auch modifizierte Fullerene, beispielsweise PCBM, eingesetzt.20’29’30’31,32’33’34,35’36·37·38·39 Als Polymer-Komponente können verschiedenste elektroaktive Polymere verwendet werden.Nanocomposite solar cells are an alternative to inorganic solar cell technologies, as they can be produced more cost-effectively and energy-efficiently.1 The active layers of nanocomposite solar cells consist of inorganic nanostructures and electroactive polymers. As an inorganic nanoparticle component, materials such as CdSe, 2.3 CdTe4.5 CdS, 6 CIS, 7'8 CulnSe2.9'10 PbS, 11'12'13'14 PbSe, 15'16 HgTe, 17 Ti02.18, 1920,21 ZnO2223,24,2526 or (Zn, Mg) 027, but also modified fullerenes, for example PCBM, used.20'29'30'31,32'33'34,35'36 · 37 · 38 · 39 Als Polymer component can be used a variety of electroactive polymers.
Nanokomposit-Solarzellen werden nach zwei grundlegenden Prinzipien aufgebaut. Einerseits kann ein Bilayeraufbau realisiert werden, wobei zuerst eine geeignete Elektrode mit der anorganischen Halbleiter- oder der Polymer-Komponente beschichtet und erst anschließend die jeweils andere Komponente aufgebracht wird. Nachteilig ist hier die geringe Grenzfläche zwischen den beiden Komponenten, an der die Ladungstrennung stattfindet. Der anschließende Transport der Ladungen zu den jeweiligen Elektroden ist allerdings bei diesem Aufbau erleichtert.Nanocomposite solar cells are built on two fundamental principles. On the one hand, a bilayer structure can be realized, wherein first a suitable electrode is coated with the inorganic semiconductor or the polymer component and only then the respective other component is applied. The disadvantage here is the small interface between the two components, at which the charge separation takes place. However, the subsequent transport of the charges to the respective electrodes is facilitated in this structure.
Andererseits ist es möglich, einen Bulk-Heterojunction Aufbau zu verwenden, wodurch die Grenzschicht zwischen den beiden Komponenten im Vergleich zum Bilayeraufbau wesentlich vergrößert wird, und eine signifikant größere Anzahl von freien Ladungsträgern erzeugt werden kann. Aufgrund des sich ausbildenden interpenetrierenden Netzwerks beider Komponenten ist hier jedoch der Transport der Ladungsträger zu den Elektroden erschwert. Im Allgemeinen werden jedoch mit diesem Aufbau Solarzellen mit deutlich höheren Wirkungsgraden erhalten.On the other hand, it is possible to use a bulk heterojunction structure, whereby the boundary layer between the two components is substantially increased compared to the bilayer structure, and a significantly larger number of free charge carriers can be generated. Due to the forming interpenetrating network of both components, however, the transport of the charge carriers to the electrodes is made more difficult. In general, however, solar cells with significantly higher efficiencies are obtained with this structure.
Um einen Bulk-Heterojunction Aufbau für Nanokomposit-Solarzellen zu realisieren, gibt es mehrere Methoden. Verfahrensziel ist hierbei, die Herstellung von dünnen Schichten von 100 - 500 nm, die aus einem interpenetriereriden Netzwerk von zwei unterschiedlichen Materialklassen, nämlich anorganischen Halbleitern einerseits, und Polymeren andererseits, bestehen.To realize a bulk heterojunction setup for nanocomposite solar cells, there are several methods. The process objective here is the production of thin layers of 100-500 nm, which consist of an interpenetriereriden network of two different classes of materials, namely inorganic semiconductors on the one hand, and polymers on the other hand.
Einerseits kann ein Bulk-Heterojunction Aufbau dadurch erreicht werden, dass eine der beiden Komponenten (anorganische Halbeiter- oder Polymer-Komponente) zuerst mit einer *· ♦»*» 2 *· ♦»*» 2 • · :: definierten Struktur auf einer Elektrode aufgebracht wird. Beispielsweise können Nanopartikel als erste Schicht porös abgeschieden bzw. Nanostrukturen gebildet werden.40,41,42 Diese strukturierten Schichten werden dann mit der jeweils anderen Komponente aufgefüllt und überdeckt. Diese Methode ist dem Bilayer-Aufbau ähnlich, jedoch wird hierbei eine wesentlich größere Grenzfläche zwischen den beiden Komponenten erreicht.On the one hand, a bulk heterojunction structure can be achieved by first having one of the two components (inorganic semiconductor component or polymer component) with a structure defined on one side Electrode is applied. For example, nanoparticles can be deposited as a porous layer as a first layer or nanostructures can be formed. 40, 41, 42 These structured layers are then filled with the respective other component and covered. This method is similar to the bilayer structure, but in this case a much larger interface between the two components is achieved.
Weiters besteht die Möglichkeit Nanostrukturen wie Nanopartikel, Nanostäbchen,43 Nanodendrite,44 Sonderfall: modifizierte Fullerene, in einer separaten Synthese herzustellen und anschließend mit einem elektroaktiven Polymer in einem geeigneten Lösungsmittel zu mischen. Aus der erhaltenen Lösung wird danach eine Schicht auf einer Elektrode aufgebracht, wobei sich nach dem Verdampfen des Lösungsmittels eine Nanokompositschicht ausbildet. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass den anorganischen Nanostrukturen bei der Synthese oft langkettige Stabilisatoren wie Liganden oder Capper zugegeben werden müssen um eine Agglomeration zu vermeiden. Diese Stabilisatoren verhindern allerdings eine effiziente Ladungstrennung an der Grenzfläche zwischen Anorganischer Halbleiterstruktur und Polymer-Komponente. Durch Austausch der langkettigen Liganden durch kurzkettigere Stabilisatoren vor dem Mischen mit einem elektroaktiven Polymer kann dieses Problem zumindest etwas verringert werden.2,3Furthermore, it is possible to prepare nanostructures such as nanoparticles, nanorods, 43 nanodendrites, 44 special cases: modified fullerenes in a separate synthesis and then to mix them with an electroactive polymer in a suitable solvent. From the resulting solution, a layer is then applied to an electrode, forming a nanocomposite layer after evaporation of the solvent. The disadvantage here, however, that the inorganic nanostructures in the synthesis often long-chain stabilizers such as ligands or capper must be added to avoid agglomeration. However, these stabilizers prevent efficient charge separation at the interface between the inorganic semiconductor structure and the polymer component. By replacing the long-chain ligands with shorter-chain stabilizers prior to mixing with an electroactive polymer, this problem can at least be somewhat reduced.2,3
Dieses Problem kann teilweise auch dadurch umgangen werden, indem die Nanopartikel direkt in einer Polymerlösung synthetisiert werden. Das Polymer stabilisiert jedoch die Nanopartikel nicht so efFektiv wie langkettige Liganden, was oftmals zu einer Agglomeration der Nanopartikel führt. Bleisulfid-Nanopartikel wurden zum Beispiel schon in einer Polymerlösung (MEH-PPV) synthetisiert, welche anschließend auf eine Elektrode aufgebracht wurde.11 45In part, this problem can be circumvented by synthesizing the nanoparticles directly in a polymer solution. However, the polymer does not stabilize the nanoparticles as effectively as long-chain ligands, which often leads to agglomeration of the nanoparticles. For example, lead sulfide nanoparticles have been synthesized in a polymer solution (MEH-PPV), which was subsequently applied to an electrode.11 45
Bei einer weiteren Methode werden anorganische Nanostrukturen direkt in einer elektroaktiven Polymermatrix (in situ) hergestellt. Dafür werden Precursorverbindungen, die durch Zersetzung bzw. Reaktion Nanostrukturen, wie Nanopartikel, Nanostäbchen, Nanodendrite, poröse Strukturen mit Löchern im Nanometerbereich, ausbilden - in weiterer Folge Nanostruktur-Precursorverbindung genannt - gemeinsam mit einem elektroaktiven Polymer gelöst, um eine Precursorlösung zu erhalten. Diese Lösung wird auf eine geeignete Elektrode aufgebracht und die erhaltene Nanostruktur-Precursorverbindung/Polymer-Schicht anschließend so behandelt, dass Nanostrukturen der anorganischen Halbleiterkomponente direkt in der Polymermatrix gebildet werden.In another method, inorganic nanostructures are produced directly in an electroactive polymer matrix (in situ). For this purpose, precursor compounds which by decomposition or reaction form nanostructures, such as nanoparticles, nanorods, nanodendrites, porous structures with holes in the nanometer range, hereinafter called nanostructure precursor compound, are dissolved together with an electroactive polymer in order to obtain a precursor solution. This solution is applied to a suitable electrode and the resulting nanostructure precursor compound / polymer layer is subsequently treated in such a way that nanostructures of the inorganic semiconductor component are formed directly in the polymer matrix.
Diese Methode wurde bereits für die direkte Herstellung von oxidischen46,47 und sulfidischen48,48,50 Nanostrukturen angewendet.This method has already been used for the direct production of oxidic46,47 and sulfidic48,48,50 nanostructures.
Ti02-Nanostrukturen wurden in einer MDMO-PPV-Schicht erzeugt.51 Dabei wurde Titanisopropoxid mit MDMO-PPV in Tetrahydrofuran gelöst, eine Schicht auf eine Elektrode aufgebracht und danach der Ti02-Precursor durch Hydrolyse in Ti02 umgesetzt. Weiters wurden ZnO/MDMO-PPV Nanokomposite durch Hydrolyse von Diethylzink hergestellt.48,47TiO 2 nanostructures were generated in an MDMO-PPV layer.51 Titanium isopropoxide was dissolved with MDMO-PPV in tetrahydrofuran, one layer was applied to one electrode, and then the TiO 2 precursor was converted into TiO 2 by hydrolysis. Furthermore, ZnO / MDMO-PPV nanocomposites were prepared by hydrolysis of diethylzinc.48,47
Binäre Sulfide, beispielsweise CdS, wurden durch Reaktion von Cd(N03)2 mit Thioacetamid in einer Polyvinylpyrrolidon (PVP) Matrix hergestellt.52 Hierbei handelt es sich jedoch um ein nicht elektroaktives bzw. konjugiertes Polymer, wodurch derartige Nanokompositschichten nicht als Aktivschichten für Solarzellen verwendet werden können.Binary sulfides, such as CdS, have been prepared by the reaction of Cd (N03) 2 with thioacetamide in a polyvinylpyrrolidone (PVP) matrix.52 However, this is a non-electroactive or conjugated polymer, which does not use such nanocomposite layers as active layers for solar cells can be.
Eine in situ Methode für die Herstellung von sulfidischen Halbleitern, wie z.B. CIS, wurde bereits beschrieben.45 Dabei wurden CIS-Nanopartikel in einer PPV Matrix aus den Metallsalzen, Thioacetamid als Schwefelquelle und einer PPV-Precursorverbindung hergestellt. Zur Herstellung der Precursorlösung muss in diesem Fall jedoch ein Lösungsmittelgemisch aus polaren Lösungsmitteln, wie Pyridin, Ethanol und Wasser verwendet werden, um die jeweiligen Metallsalze und die Schwefelquelle lösen zu können. Dadurch wird die Auswahl an verwendbaren elektroaktiven Polymeren stark eingeschränkt, da diese typischerweise in apolaren Lösungsmitteln löslich sind. Weiters ist die Aufbringung von homogenen Precursor-Schichten auf geeignete Elektroden aufgrund der verwendeten Lösungsmittel, z.B. hohe Oberflächenspannung, und Precursorverbindungen, zum Beispiel stark unterschiedliche Löslichkeiten, äußerst problematisch.An in situ method for the preparation of sulfidic semiconductors, e.g. CIS has been described.45 CIS nanoparticles were prepared in a PPV matrix from the metal salts, thioacetamide as the sulfur source, and a PPV precursor compound. In this case, however, a solvent mixture of polar solvents, such as pyridine, ethanol and water, must be used to prepare the precursor solution in order to be able to dissolve the respective metal salts and the sulfur source. This severely restricts the choice of useful electroactive polymers since they are typically soluble in apolar solvents. Furthermore, the application of homogeneous precursor layers to suitable electrodes due to the solvents used, e.g. high surface tension, and precursor compounds, for example, very different solubilities, extremely problematic.
Diese bekannten Methoden zeigen folgende Nachteile: • stark eingeschränkte Auswahl der Lösungsmittel, da polare Lösungsmittel, z.B. Wasser, zum Lösen der Metallsalze und/oder Metall-Precursorverbindungen notwendig sind, • eingeschränkte Auswahl der elektroaktiven Polymere aufgrund ihrer meist geringen Löslichkeit in polaren Lösungsmitteln, • limitierte Auswahl an Aufbringungsmethoden der Precursorlösung auf großflächige Substrate, da die hohe Oberflächenspannung von wässrigen oder polaren Lösungsmitteln Substrate oft schlecht benetzen und somit eine homogene Schichtbildung nicht möglich ist, • Reaktionsnebenprodukte bei der direkten Herstellung der Nanopartikel in der Polymermatrix können bei Temperaturen, bei denen elektroaktive Polymere typischerweise stabil sind nur unzureichend entfernt werden, • Verwendung einer zusätzlichen Chalkogenidquetle.These known methods show the following disadvantages: • very limited choice of solvents, since polar solvents, e.g. Water, are required for dissolving the metal salts and / or metal precursor compounds, • limited choice of electroactive polymers due to their low solubility in polar solvents, • limited choice of application methods of precursor solution on large-area substrates, as the high surface tension of aqueous or polar solvents Often, substrates are poorly wetted and homogeneous layer formation is therefore not possible. • Reaction by-products in the direct production of nanoparticles in the polymer matrix can only be insufficiently removed at temperatures at which electroactive polymers are typically stable. • Use of an additional chalcogenide squeeze.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.The invention aims to remedy this situation.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtungslösung umfassend Precursorverbindungen für Metallchalkogenid-Nanostrukturen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass als Precursorverbindungen für die Metallchalkogenid-Nanostrukturen Verbindungen in einem oder mehreren organischen Lösungsmitteln gelöst werden und sich durch Energieeintrag in Metallchalkogenid-Nanostrukturen umwandeln lassen.The invention relates to a method for producing a coating solution comprising precursor compounds for metal chalcogenide nanostructures, which is characterized in that compounds in one or more organic solvents are dissolved as precursor compounds for the metal chalcogenide nanostructures and can be converted by energy input into metal chalcogenide nanostructures.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 8 offenbart.Further advantageous embodiments of the method according to the invention are disclosed in claims 2 to 8.
Die Erfindung betrifft weiters die Herstellung von Nanokompositschichten unter Verwendung der erfindungsgemäß hergestellten Beschichtungslösungen in Verbindung mit zumindest einem elektroaktiven Polymer unter Energieeintrag.The invention further relates to the production of nanocomposite layers using the coating solutions prepared according to the invention in conjunction with at least one electroactive polymer with energy input.
Dieses erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist in den Ansprüchen 9 bis 19 offenbart.This manufacturing method according to the invention is disclosed in claims 9 to 19.
Die Erfindung betrifft ebenso die Verwendung dieser Nanokompositschichten zur Herstellung von Bauteilen oder Bauelementen, wie Solarzellen, Sensoren oder Detektoren, elektrischen oder optischen, den UV-, IR- und Mikrowellenbereich umfassenden Bauelementen, Schaltern, Displays oder Strahlung emittierenden Bauelementen, wie Laser oder Licht emittierende Dioden (LEDs).The invention also relates to the use of these nanocomposite layers for producing components or components, such as solar cells, sensors or detectors, electrical or optical components comprising UV, IR and microwave regions, switches, displays or radiation-emitting components, such as lasers or light-emitting components Diodes (LEDs).
Das technische Problem, das mit dieser Erfindung gelöst werden kann, bezieht sich auf die Herstellungsmethoden für Bulk-Heterojunction Solarzellen. Die bekannte Herstellung der Precursorlösung für diese Methode ist schwierig, da typischerweise die Precursorverbindungen für die Halbleitemanopartikel in polaren, und die elektroaktiven Polymere jedoch besser in apolaren Lösungsmitteln löslich sind.The technical problem that can be solved with this invention relates to the production methods for bulk heterojunction solar cells. The known preparation of the precursor solution for this method is difficult, since typically the precursor compounds for the semiconductor manoparticles in polar, and the electroactive polymers are better soluble in apolar solvents.
Zentraler Punkt der hier vorgestellten Erfindung ist es, dass die Möglichkeit geschaffen wird, Precursorlösungen aus Nanostruktur-Precursorverbindungen und elektroaktiven Polymeren, die besser in apolaren Lösungsmitteln löslich sind, herzustellen. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die nötigen Metallverbindungen für die Bildung der Nanopartikel chemisch so modifiziert werden, dass sie als Nanostruktur-Precursorverbindung in vielen gängigen organischen Lösungsmitteln gelöst werden können.The central point of the invention presented here is that the possibility is created of preparing precursor solutions of nanostructure precursor compounds and electroactive polymers which are more soluble in apolar solvents. This is made possible by the fact that the necessary metal compounds for the formation of nanoparticles are chemically modified so that they can be solved as nanostructure precursor compound in many common organic solvents.
Weiters wandeln sich die Nanostruktur-Precursorverbindungen bei niedrigen Temperaturen, d.h. unterhalb von 400 eC, vorzugsweise unter 200 °C, bzw. geringem Energieeintrag in die Halbleitemanostrukturen innerhalb der Polymermatrix um, und es wird somit eine thermische Degradation des elektroaktiven Polymers verhindert. ·· *»t* 5 * · »Furthermore, the nanostructure precursor compounds convert at low temperatures, i. below 400 eC, preferably below 200 ° C, or low energy input into the Halbleitemanostrukturen within the polymer matrix to, and thus a thermal degradation of the electroactive polymer is prevented. ·· * »t * 5 * ·»
Durch die gute Löslichkeit der Nanostruktur-Precursorverbindungen in verschiedensten Lösungsmitteln ist die Verwendung von vielen elektroaktiven organischen Verbindungen, die in diesen Lösungsmitteln löslich sind, als zweite Komponente für die Herstellung von Nanokompositschichten möglich.Due to the good solubility of the nanostructure precursor compounds in a wide variety of solvents, the use of many electroactive organic compounds which are soluble in these solvents is possible as a second component for the preparation of nanocomposite layers.
Die Verwendung dieser speziellen Nanostruktur-Precursorverbindungen (zum Beispiel: Metallthiocarbamate, Metalldithiocarbamate, Metallthiocarboxylate, Metalldithiocarboxylate, Metall-Xanthate, Metall-Trithiocarbonate, Metall-Thiolate, Metall-Thiocyanate und/oder Metall-Isothiocyanate) erlaubt auch die Herstellung einer Lösung mit diesen Verbindungen und dem elektroaktiven Polymer in einem weiten Konzentrationsbereich.The use of these particular nanostructure precursor compounds (for example: metal thiocarbamates, metal dithiocarbamates, metal thiocarboxylates, metal dithiocarboxylates, metal xanthates, metal trithiocarbonates, metal thiolates, metal thiocyanates and / or metal isothiocyanates) also allows the preparation of a solution with these compounds and the electroactive polymer in a wide concentration range.
Es muss im Falle der Herstellung von Metallchalkogenid-Nanostrukturen auch keine externe Chalkogenidquelle zur Herstellung der Metallchalkogenid-Nanostrukturen der Lösung beigefügt werden, da die Chalkogenidquelle schon in der Precursorverbindung vorhanden ist. Als externe Chalkogenidquelle werden Verbindungen verstanden, die bei Energieeintrag bzw. bei der Bildung der Metallchalkogenid-Nanostrukturen zusätzlich Elemente der 6. Hauptgruppe zur Verfügung stellen.In the case of the production of metal chalcogenide nanostructures, no external chalcogenide source for preparing the metal chalcogenide nanostructures of the solution must also be added since the chalcogenide source is already present in the precursor compound. As an external source of chalcogenide, compounds are understood which additionally provide elements of the 6th main group when the energy is introduced or when the metal chalcogenide nanostructures are formed.
Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die Chalkogenidquelle in der Precursorverbindung bereits in räumlicher Nähe zu den Metallen befindet, was die Reaktion zur Bildung der Haibleitemanostrukturen erleichtert. Diese Methode ermöglicht auch die Herstellung sehr reiner Halbleiternanostrukturen.Another advantage is that the chalcogenide source in the precursor compound is already in close proximity to the metals, facilitating the reaction to form the semiconductor structure. This method also makes it possible to produce very pure semiconductor nanostructures.
Durch chemische Modifikation der Nanostruktur-Precursorverbindungen kann deren Löslichkeit stark beeinflusst werden, wodurch die Herstellung von Precursorlösungen in den verschiedensten Lösungsmitteln und Lösungsmittelgemischen ermöglicht wird. Im Speziellen können typische Lösungsmittel für elektroaktive Polymere (organische Lösungsmittel wie zum Beispiel: Chloroform, Toluol, Chlorbenzol, Tetrahydrofuran, Xylol) verwendet werden. Folglich können viele gängige elektroaktive Polymere für die Herstellung von Nanokompositschichten und Nanokomposit-Solarzellen eingesetzt werden. Weiters lassen sich die Eigenschaften der Precursorlösung (Viskosität, Siedepunkt, Oberflächenspannung, etc.) über einen weiten Bereich durch Auswahl des Lösungsmittels oder Lösungsmittelgemisches und geeigneter Nanostruktur-Precursorverbindungen variieren, wodurch die Auswahl an Aufbringungsmethoden der Precursorlösung vor allem für großflächige Substrate maßgelblich erweitert wird.By chemical modification of the nanostructure precursor compounds their solubility can be greatly influenced, whereby the production of precursor solutions in a variety of solvents and solvent mixtures is made possible. Specifically, typical solvents for electroactive polymers (organic solvents such as: chloroform, toluene, chlorobenzene, tetrahydrofuran, xylene) can be used. Consequently, many common electroactive polymers can be used to make nanocomposite layers and nanocomposite solar cells. Furthermore, the properties of the precursor solution (viscosity, boiling point, surface tension, etc.) can be varied over a wide range by selecting the solvent or solvent mixture and suitable nanostructure precursor compounds, thus widening the selection of application methods of the precursor solution, especially for large-area substrates.
Ein großer Vorteil im Vergleich zu anderen Verfahren ist, dass man eine große Menge an Metallverbindungen (Metafl-Schwefel-Vorstufen) zusammen mit einem elektroaktiven Polymer in Lösung bringen kann. Es können Lösungen mit hohem Metallgehalt aber auch mit hohem Polymergehalt erreicht werden. 6 • · · · ·· · • ♦ · · « · · • ·· · #·· • ·· · *·· • · · · · * · |· ·* ·* ♦ ·· ··«· • · * • Φ ·A big advantage compared to other methods is that a large amount of metal compounds (metafl-sulfur precursors) can be dissolved together with an electroactive polymer. It can be achieved solutions with high metal content but also with high polymer content. 6 • · · · · · · · · · · «· · · · · · · · · · · · · · · · · · · * • Φ ·
Somit kann die Viskosität der Lösung gut eingestellt werden, was wiederum das Spektrum der verschiedenen Aufbringmethoden bzw. Beschichtungsmethoden erweitert. Durch die Veränderung der Viskosität der Lösung kann auch die Schichtdicke der aufgebrachten Schicht eingestellt werden.Thus, the viscosity of the solution can be adjusted well, which in turn widens the spectrum of different application methods or coating methods. By changing the viscosity of the solution, the layer thickness of the applied layer can also be adjusted.
Durch die exzellente Löslichkeit der Komponenten in organischen Lösungsmitteln ist eine sehr gute Prozessierbarkeit und auch eine homogene Verteilung der Komponenten in der Precursorlösung, sowie in weiterer Folge nach der Schichtaufbringung auch in der Schicht, gegeben.Due to the excellent solubility of the components in organic solvents is a very good processability and a homogeneous distribution of the components in the precursor solution, and subsequently after the layer application in the layer, given.
Durch die Wahl des Lösungsmittels können sowohl raue als auch glatte Schichten erreicht werden. Die Verwendung von sehr flüchtigen Lösungsmitteln mit niedrigem Siedepunkt fördert die Bildung von rauen Schichten, während die Verwendung von weniger flüchtigen Lösungsmitteln mit höherem Siedepunkt die Herstellung von sehr glatten Schichten ermöglicht.By choosing the solvent, both rough and smooth layers can be achieved. The use of very low boiling volatile solvents promotes the formation of rough layers, while the use of less volatile, higher boiling solvents enables the production of very smooth layers.
Die erhaltenen Nanokompositschichten zeichnen sich durch eine hohe Reinheit aus, da die entstehenden Reaktionsnebenprodukte leicht flüchtig sind und dadurch schon bei sehr niedrigen Temperaturen aus der Nanokompositschicht entfernt werden können.The resulting nanocomposite layers are characterized by a high purity, since the resulting reaction by-products are volatile and thus can be removed from the nanocomposite layer even at very low temperatures.
An der Erfindung ist nicht nahe liegend, dass alle nötigen Nanostruktur-Precursorverbindungen soweit modifiziert werden können, dass sie in organischen Lösungsmitteln, in denen auch organische elektroaktive Verbindungen gelöst werden können, löslich sind. Weiters ist nicht nahe liegend, dass mit Lösungen, die einen hohen Anteil an diesen Nanostruktur-Precursorverbindungen und ein elektroaktives Polymer beinhalten, homogene großflächige Schichten auf geeigneten Substraten aufgebracht werden können und diese durch kontrollierten Energieeintrag zu Nanokompositschichten umgewandelt werden können. Zusätzlich ist nicht nahe liegend, dass sich Nanopartikel im Größenbereich zwischen 3 und 30 nm bilden, die abhängig von dem Konzentrationsverhältnis der Nanostruktur-Precursorverbindungen zum elektroaktiven Polymer unterschiedlich stark ausgeprägte interpenetrierende Netzwerke ausbilden.It is not obvious to the invention that all necessary nanostructure precursor compounds can be modified to such an extent that they are soluble in organic solvents in which organic electroactive compounds can also be dissolved. Furthermore, it is not obvious that with solutions containing a high proportion of these nanostructure precursor compounds and an electroactive polymer, homogeneous large-area layers can be applied to suitable substrates and these can be converted by controlled energy input to nanocomposite layers. In addition, it is not obvious that nanoparticles in the size range between 3 and 30 nm form, which form differently pronounced interpenetrating networks depending on the concentration ratio of the nanostructure precursor compounds to the electroactive polymer.
Die wichtigsten Vorteile der beschriebenen Methode sind in folgender Auflistung angeführt: • einfache chemische Modifikation der Nanostruktur-Precursorverbindungen und eine damit verbundene Löslichkeit der Nanostruktur-Precursorverbindungen in organischen Lösungsmitteln, in denen auch organische elektroaktive Verbindungen gelöst werden können • große Auswahl an organischen Lösungsmitteln, in denen elektroaktive Polymere löslich sind, für die Herstellung der Precursorlösung ·· ·· Φ· · ** ·*♦* ·#·*«»· · · · 7· * «· · * * * > * • ft * # · t ft··· ··· · • · · · I f · · · ·· ·· ·· ♦ *· · • große Auswahl an elektroaktiven Polymeren für die Herstellung der Precursorlösung • Eigenschaften der Precursorlösung (Siedepunkt, Viskosität, Oberflächenspannung, etc.) können in einem großen Bereich variiert werden • große Auswahl an Aufbringungsmethoden der Precursoriösung auf großflächige Substrate • Reaktionsnebenprodukte der direkten Herstellung der Nanopartikel in der Polymermatrix können bei Temperaturen, bei denen elektroaktive Polymere typischerweise stabil sind, gut entfernt werden.The main advantages of the described method are listed in the following list: • simple chemical modification of the nanostructure precursor compounds and associated solubility of the nanostructure precursor compounds in organic solvents, in which organic electroactive compounds can be solved • wide range of organic solvents, in which electroactive polymers are soluble, for the preparation of the precursor solution. *** · * Φ Φ · · · · · · Φ · 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7. * • * * * * * ft *·· ··· ···· Boiling point, viscosity, surface tension, etc.) can be varied within a wide range. • Wide range of application methods of precursor solution to large area substrates. • Reaction byproducts of direct preparation of nanoparticles in the polymer matrix can be well removed at temperatures where electroactive polymers are typically stable become.
Die folgenden Beispiele geben einen Überblick über mögliche Bereiche, in denen diese Erfindung realisiert werden kann.The following examples give an overview of possible areas in which this invention can be realized.
Es wurden Lösungen mit unterschiedlichsten Kombinationen an Nanostruktur-Precursorverbindungen für die Herstellung der Halbleitemanostrukturen und elektroaktiven Polymeren in zahlreichen Lösungsmitteln bzw. Lösungsmittelgemischen mit verschiedenen Konzentrationsverhältnissen hergestellt.Solutions were prepared with a wide variety of combinations of nanostructure precursor compounds for the preparation of the semiconductor structures and electroactive polymers in numerous solvents or solvent mixtures with different concentration ratios.
Weiters wurden mittels dieser Precursorlösungen Nanokompositschichten mit unterschiedlichen elektroaktiven Polymeren (zum Beispiel: MEH-PPV, MDMO-PPV, F8T2, P3HT) und anorganischen Halbleitern (zum Beispiel: Kupferindiumdisulfid (CIS), Zinksulfid-Kupferindiumdisulfid (ZnS-CIS), Kupferzinkzinnsulfid (CZTS)) hergestellt. Der Energieeintrag zur Umwandlung der Precursor-Schichten in die Nanokompositschichten erfolgte thermisch (Heizplatte oder IR-Strahlung) oder auch durch Strahlung (Elektronenstrahl). Die Charakterisierung dieser Schichten zeigte, dass sich Nanopartikel im Größenbereich zwischen 3 und 30 nm bilden, die abhängig von der Konzentration der Nanostruktur-Precursorverbindungen unterschiedlich stark ausgeprägte interpenetrierende Netzwerke bilden. Solarzellen mit diesen Nanokompositschichten als Aktivschichten erzielten Wirkungsgrade über 1,7%. Messungen der spektralen Empfindlichkeit dieser Solarzellen zeigten, dass die Halbleitemanostrukturen maßgeblich zur Ladungsträgergenerierung in der Aktivschicht beitragen.Furthermore, nanocomposite layers containing different electroactive polymers (for example: MEH-PPV, MDMO-PPV, F8T2, P3HT) and inorganic semiconductors (for example: copper indium disulfide (CIS), zinc sulfide-copper indium disulfide (ZnS-CIS), copper zinc tin sulfide (CZTS )) produced. The energy input for converting the precursor layers into the nanocomposite layers was carried out thermally (heating plate or IR radiation) or else by radiation (electron beam). The characterization of these layers showed that nanoparticles in the size range between 3 and 30 nm are formed, which, depending on the concentration of the nanostructure precursor compounds, form differently pronounced interpenetrating networks. Solar cells with these nanocomposite layers as active layers achieved efficiencies above 1.7%. Measurements of the spectral sensitivity of these solar cells showed that the semiconductor structures contribute significantly to the generation of charge carriers in the active layer.
Beispiele:Examples:
Beispiel 1: Synthese von Cu-, In- und Zn-XanthatenExample 1: Synthesis of Cu, In and Zn xanthates
Die Synthese der unterschiedlichen Cu-, In- und Zn-Xanthate ist in Abbildung 1 gezeigt. Im ersten Schritt wird der gewünschte Alkohol mit Schwefelkohlenstoff in Gegenwart einer Base (z.B.: Kaliumhydroxid oder Kalium-ferf-butoxid) umgesetzt, um das entsprechende Kalium-Xanthat zu erhalten53. Im zweiten Schritt wird nun das entsprechende Kalium-Xanthat mit einer Cu-, In- oder Zn-Quelle umgesetzt54.The synthesis of the different Cu, In and Zn xanthates is shown in Figure 1. In the first step, the desired alcohol is reacted with carbon disulfide in the presence of a base (e.g., potassium hydroxide or potassium ferf-butoxide) to give the corresponding potassium xanthate53. In the second step, the corresponding potassium xanthate is then reacted with a source of Cu, In, or Zn54.
Mn+-Salz + η Κ S^S 2. Ο. 1 t + Μ Κ -Salz + ΜMn + salt + η Κ S ^ S 2. Ο. 1 t + Μ Κ salt + Μ
koh + cs2 + r-ohkoh + cs2 + r-oh
Abbildung 1: Prinzipielles Schema der Synthese von Cu-, In- und Zn-XanthatenFigure 1: Schematic diagram of the synthesis of Cu, In, and Zn xanthates
In Abbildung 2 sind Beispiele für synthetisierte Cu-, in- und Zn-Xanthate zusammengefasst, wobei die Substituenten R, R2 und R3 Alkylgruppen in substituierter, unsubstituierter, verzweigter und geradkettiger Form darstellen und beispielsweise wie folgt abgekürzt werden: Et = -ethyl, Amyl = -amyl, Dec = -decyl, HepB = -2,4-dimethyl-3-pentyi, Hex = -3,3-dimethyl-2-butyl, Hep = -2,2-dimethyl-3-pentyl, HepC = -4,4-dimethyl-pentyl, OHep = -1-tert-butoxy-2-propyl, PhEt = -1-phenyl-1-propyl.Figure 2 summarizes examples of synthesized Cu, Zn and Zn xanthates wherein the substituents R, R2 and R3 represent alkyl groups in substituted, unsubstituted, branched and straight chain form and are abbreviated, for example, as follows: Et = -ethyl, amyl = -amyl, Dec = -decyl, HepB = -2,4-dimethyl-3-pentyi, Hex = -3,3-dimethyl-2-butyl, Hep = -2,2-dimethyl-3-pentyl, HepC = 4,4-dimethyl-pentyl, OHep = -1-tert-butoxy-2-propyl, PhEt = -1-phenyl-1-propyl.
✓X'X✓X'X
Hep HepC OHep PhEtHep HepC OHep PhEt
Abbildung 2: Beispiele für synthetisierte Cu-, In- und Zn-XanthateFigure 2: Examples of synthesized Cu, In, and Zn xanthates
Abbildung 3 gibt Beispiele für synthetisierte Cu-, In- und Zn-Xanthate, die in der Literatur noch nicht bekannt sind. In Abhängigkeit von dem verwendeten Metall und dem gewählten R-Rest ist die Löslichkeit des erhaltenen Xanthats sehr unterschiedlich. In(lll)- und Zn(ll)-Xanthate besitzen im allgemeinen eine sehr gute Löslichkeit im Gegensatz zu Cu(l)-Xanthaten, da sie auf Grund der höheren Metall-Valenzen mehrere Xanthatgruppen, die eine bessere Löslichkeit bedingen, tragen können. 9 ·· 4··· • 4 • * 4 • I · #« 4 4 4 t · ·· 4·Figure 3 gives examples of synthesized Cu, In and Zn xanthates that are not yet known in the literature. Depending on the metal used and the R radical chosen, the solubility of the resulting xanthate is very different. In (III) - and Zn (II) xanthates generally have a very good solubility in contrast to Cu (l) xanthates, since they can due to the higher metal valencies more xanthate groups, which cause a better solubility carry. 9 ·· 4 ··· • 4 • * 4 • I · # «4 4 4 t · ·· 4 ·
yV HepByV HepB
HepC OHep PhEt Abbildung 3 zeigt synthetisierte und in der Literatur unbekannte Cu-, In- und Zn-Xanthate, wobei R, R3 und R2 sowie HepB, Hex, Hep, HepC, OHep und PhEt die zu Abbildung 2 angeführte Definition bzw. Nomenklatur aufweisen. R=HepC OHep PhEt Figure 3 shows synthesized and unknown in the literature Cu, In and Zn xanthates, where R, R3 and R2 and HepB, Hex, Hep, HepC, OHep and PhEt have the definition and nomenclature listed in Figure 2 , R =
Beispiel 2: Synthese von Cu- und In-DithiocarbamatenExample 2 Synthesis of Cu and In Dithiocarbamates
Die Synthese von In-, und Cu-Dithiocarbamaten ist ähnlich der Xanthat-Synthese und ist im Folgenden kurz beschrieben. Im ersten Schritt wird das gewünschte Amin und Schwefelkohlenstoff in Gegenwart einer Base (z.B.: Natriumhydroxid) zum entsprechenden Natrium-Dithiocarbamat umgesetzt55,56. Danach wird das Natrium-Dithiocarbamat mit einer Cu- oder In-Quelle umgesetzt, um das entsprechende In-, und Cu-Dithiocarbamat zu erhalten.The synthesis of in, and Cu dithiocarbamates is similar to the xanthat synthesis and is briefly described below. In the first step, the desired amine and carbon disulfide are reacted in the presence of a base (e.g., sodium hydroxide) to give the corresponding sodium dithiocarbamate 55,56. Thereafter, the sodium dithiocarbamate is reacted with a Cu or In source to obtain the corresponding In, and Cu dithiocarbamate.
Abbildung 4 zeigt jeweils ein Beispiel für ein synthetisiertes Cu- und In-Dithiocarbamat, nämlich Kupfer-2-hexyldithiocarbamat und lndium-2-hexyldithiocarbamat.Figure 4 shows an example of a synthesized Cu and In dithiocarbamate, namely copper 2-hexyldithiocarbamate and indium-2-hexyldithiocarbamate.
10 «· ·» • · ♦ · • · ♦ · • ♦ · · ·* Μ·· • ·10 «· ·» • · ♦ · • · ♦ · • ♦ · · · * Μ ··· ·
Beispiel 3: Synthese von Sn-XanthatenExample 3: Synthesis of Sn xanthates
Bei der Synthese von Sn-Xanthaten entscheidet die Auswahl des Lösungsmittels über das erhaltene Hauptprodukt. Wird beispielsweise Zinntetrachiorid mit Kalium-Xanthat in Benzol umgesetzt, erhält man SnExa4. Verwendet man jedoch Methanol oder Ethanol liegt Sn2S2Exa4, ein durch 2 Schwefel verbrücktes Sn-Xanthat, als Hauptprodukt vor.In the synthesis of Sn xanthates, the choice of solvent determines the major product obtained. For example, when tin tetrachloride is reacted with potassium xanthate in benzene, SnExa4 is obtained. However, using methanol or ethanol, Sn2S2Exa4, a Sn-xanthate bridged by 2 sulfur, is the major product.
Abbildung 4 gibt Beispiele von synthetisierten Sn-Xanthate.Figure 4 gives examples of synthesized Sn xanthates.
SnExa4 Sn2S2Exa4 Sn2S2Hex4SnExa4 Sn2S2Exa4 Sn2S2Hex4
Abbildung 4 zeigt die synthetisierten Sn-Xanthate, nämlich SnExa4 = Zinnethylxanthat, Sn2S2Exa4 = Zinndiethylxanthat und Sn2S2Hex4 = Zinnthio-dihexylxanthat.Figure 4 shows the synthesized Sn xanthates, namely SnExa4 = tin ethylxanthate, Sn2S2Exa4 = tin diethylxanthate and Sn2S2Hex4 = tin thio-dihexylxanthate.
Beispiel 4: Herstellung von Kupferindiumdisulfid/Polymer-Nanokompositschichten durch unterschiedliche Aufbringungsmethoden Für die Precursor-Lösung zur Herstellung der Nanokompositschicht wurde das jeweilige Cu(l)-xanthat und ln(lll)-xanthat im gewünschten Cu/In-Verhältnis in einem Lösungsmittel bzw. Lösungsmittelgemisch gelöst. Die klare Precursor-Lösung wurde danach durch eine geeignete Aufbringungsmethode auf ein Glas-iTO-Substrat aufgebracht. Um die Kupferindiumdisulfid/Polymer-Nanokompositschicht (CIS/Polymer-Nanokompositsch'icht) zu erhalten, wurde das Substrat mit der zuvor aufgebrachten Precursor-Schicht für 15 Minuten bei 200°C mit einer Aufheizrate von 21°C/min getempert. Demzufolge erfolgt die Herstellung der CIS-Nanopartikel aus den Cu- und In-Xanthaten innerhalb der Matrix des konjugierten Polymers in situ während dieses Heizschrittes.EXAMPLE 4 Production of Copper Indium Disulfide / Polymer Nanocomposite Layers by Different Application Methods For the precursor solution for producing the nanocomposite layer, the respective Cu (I) xanthate and In (III) xanthate were mixed in the desired Cu / In ratio in a solvent or Solvent mixture dissolved. The clear precursor solution was then applied to a glass iTO substrate by a suitable deposition method. In order to obtain the copper indium disulfide / polymer nanocomposite layer (CIS / polymer nanocomposite layer), the substrate with the previously applied precursor layer was annealed for 15 minutes at 200 ° C at a heating rate of 21 ° C / min. Accordingly, the preparation of the CIS nanoparticles from the Cu and In xanthates occurs within the matrix of the conjugated polymer in situ during this heating step.
Abbildung 5 zeigt ein Diffraktogramm einer CIS/Poly(2-(2-ethylhexy!oxy)-5-methoxy-p-phenylenvinylen-Nanokompositschicht (CIS/MEH-PPV-Nanokompositschicht) bei der die Lösung durch Sprühen aufgebracht wurde. Die genauen Herstellungsparameter sind in Tabelle 1 angeführt. Die drei breiten Reflexe bei 28,1° (112), 46,5° (204/220) und 54,9° (312) sind charakteristisch für Kupferindiumdisulfid in der Chalkopyrit-Struktur. Die Partikelgröße beträgt in etwa 3 nm, berechnet nach der Scherrer Formel mit den zwei intensivsten Reflexen. 11 11 φ φ φ φφ φ φφ ·· ·φ ♦ • · I · · * · • · « φ φ φ·· φ Φ Φ φ 4 · ·*** » · · 4 Φ * · ΦΦ φ· ·Φ *Figure 5 shows a diffractogram of a CIS / poly (2- (2-ethylhexy! Oxy) -5-methoxy-p-phenylenevinylene nanocomposite layer (CIS / MEH-PPV nanocomposite layer) in which the solution was applied by spraying are shown in Table 1. The three broad reflections at 28.1 ° (112), 46.5 ° (204/220) and 54.9 ° (312) are characteristic of copper indium disulfide in the chalcopyrite structure 3 nm, calculated according to the Scherrer equation with the two most intense reflections 11 11 φ φ φ φφ φ φφ ··· φ ♦ • · I · · · · · · «φ φ φ ·· φ φ φ φ 4 · · *** "· 4 Φ * ΦΦ · · Φ *
Abbildung 5: Röntgendiffraktogramm einer CIS/MEH-PPV-NanokompositschichtFigure 5: X-ray diffraction pattern of a CIS / MEH-PPV nanocomposite layer
Analog dazu wurde auch eine CIS/Poly-co-(dioctylfluorenyl-dithiophenyl)-Nanokompositschicht (CIS/F8T2-Nanokompositschicht) durch Spin-coaten der Precursorlösung hergestellt. Detaillierte Herstellungsparameter sind wiederum in Tabelle 1 angegeben. In Abbildung 6 ist ein TEM-Bild (Transmissionselektronen-Bild) dieser photoaktiven Nanokompositschicht gezeigt. Die Nartopartikel (dunkle Bereiche) sind in der Polymermatrix eingebettet und weisen eine ungefähre Größe von 5 nm auf.Similarly, a CIS / poly-co- (dioctylfluorenyl-dithiophenyl) nanocomposite layer (CIS / F8T2 nanocomposite layer) was also prepared by spin-coating the precursor solution. Detailed production parameters are again given in Table 1. Figure 6 shows a TEM (Transmission Electron Image) image of this photoactive nanocomposite layer. The nartoparticles (dark areas) are embedded in the polymer matrix and have an approximate size of 5 nm.
Weiters kann die photoaktive Nanokompositschicht auch durch Rakeln auf ein Glas-ITO-Substrat aufgebracht werden. In diesem Zusammenhang wird auf das Beispiel 9 verwiesen, in dem Solarzellen mit dieser Aufbringungsmethode hergesteilt wurden.Furthermore, the photoactive nanocomposite layer can also be applied to a glass ITO substrate by doctoring. In this connection, reference is made to Example 9 in which solar cells were produced by this application method.
Tabelle 1: Detaillierte Herstellungsparameter für die Herstellung von ClS/Polymer-Nanokompositschichten ·· ··«· • · ·· ·· ♦ f t I * · · · • * · · · * · * » m * · · Ί #··· • · * · · · * ·* ·· · · 12 • · • · *· »Table 1: Detailed production parameters for the preparation of ClS / polymer nanocomposite layers..... · · · · · · · * * * * · · · · 12 · · · · · · »
Beispiel 1 2 Polymer MEH-PPV F8T2 Cu-Xanthat Cu-Amyl Cu-Hex In-Xanthat In-Eta Ιη-Ηβχ^ Cu/In-Verhältnis 1/1,7 1/1,7 CIS/Polymer-Verhältnis 3/1 4/1 Lösungsmittel CHCla/Pyridine (1/0,25) CHCI3 Aufbringungsmethode Sprühen Spin-coatenExample 1 2 Polymer MEH-PPV F8T2 Cu-Xanthat Cu-Amyl Cu-Hex In-Xanthat In-Eta Ιη-Ηβχ ^ Cu / In Ratio 1 / 1.7 1 / 1.7 CIS / Polymer Ratio 3/1 4/1 Solvent CHCla / Pyridines (1 / 0.25) CHCI3 Method of application Spray Spin coats
Die in Tabelle 1 verwendeten Abkürzungen haben folgende Bedeutung: MEH-PPV = Pdy(2-(2-ethylhexyloxy)-5-methoxy-p-phenylenvinylen), F8T2 = Poly-co-(dioctylfluorenyl-dithiophenyl), Cu-Amyl = Kupferamylxanthat, Cu-Hex = Kupfer-3,3-dimethyl-2-butylxanthat, In-Et3 = Indiumethylxanthat, In-Hex3 = lndium-3,3-dimethyl-2-butylxanthat, CHCI3 = Chloroform.The abbreviations used in Table 1 have the following meaning: MEH-PPV = Pdy (2- (2-ethylhexyloxy) -5-methoxy-p-phenylenevinylene), F8T2 = poly-co- (dioctylfluorenyl-dithiophenyl), Cu-amyl = Kupferamylxanthat , Cu-Hex = copper-3,3-dimethyl-2-butylxanthate, In-Et3 = indium ethylxanthate, In-Hex3 = indium-3,3-dimethyl-2-butylxanthate, CHCl3 = chloroform.
Beispiel 5: Herstellung von CIS/Polymer-Nanokompositschichten durch unterschiedliche UmwandlungsverfahrenExample 5: Preparation of CIS / Polymer Nanocomposite Layers by Different Conversion Methods
Eine Möglichkeit zur Bildung der CIS/Polymer-Nanokompositschicht ist das Aufheizen der Precursor-Schicht in einem Röhrenofen. Als Beispiel hierfür kann die unter Beispiel 4 angeführte CIS/F8T2-Nanokompositschicht herangezogen werden. In diesem Fall wurde die Precursor-Schicht für 15 Minuten bei 200°C mit einer Aufheizrate von 21°C/min in einem Röhrenofen getempert.One way to form the CIS / polymer nanocomposite layer is to heat the precursor layer in a tube furnace. As an example of this, the CIS / F8T2 nanocomposite layer cited under Example 4 can be used. In this case, the precursor layer was annealed for 15 minutes at 200 ° C at a heating rate of 21 ° C / min in a tube furnace.
Zusätzlich kann die Umwandlung der Precursor zu CIS auch durch hochenergetische Strahlung, wie zum Beispiel einem Elektronenstrahl erfolgen. In Abbildung 7 und Abbildung 8 sind die Beugungsbilder und die dazugehörigen radialen Intensitätsprofile einer CIS/Poly[2-methoxy-5-{3,7-dimethylocty!oxy)]-p-phenylenvinyler»-Nanokompositschicht (CIS/MDMO-PPV-Nanokompositschicht) nach unterschiedlich langer Einwirkung des Elektronenstrahls auf die Precursor-Schicht gezeigt.In addition, the conversion of precursor to CIS can also be effected by high-energy radiation, such as an electron beam. In Figure 7 and Figure 8, the diffraction patterns and associated radial intensity profiles of a CIS / poly [2-methoxy-5- {3,7-dimethyloctyloxy)] p-phenylene vinylene nanocomposite layer (CIS / MDMO-PPV nanocomposite layer ) after different exposure of the electron beam to the precursor layer.
Der Elektronenstrahl eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) hat üblicherweise eine Energie von 100-300 keV. Dies kann im speziellen bei Polymeren zur Schädigung der Probe durch den Energieeintrag führen. Im Zuge dieser Experimente wurde untersucht, ob die Umwandlung der Xanthate auch durch die Energie des Elektronenstrahls möglich ist. 13 00 0000 0 0 · 0 0 0 ·· ·· ·· · • 0 0 0 0 ·· # · ♦ · · t · f 0 0 0 · 0 0*The electron beam of a transmission electron microscope (TEM) usually has an energy of 100-300 keV. In particular, this can lead to polymer damage to the sample due to the energy input. In the course of these experiments it was investigated whether the transformation of the xanthates is also possible by the energy of the electron beam. 13 00 0000 0 0 · 0 0 0 ·· ·· ·· · • 0 0 0 0 ·· # · ♦ · · t · f 0 0 0 · 0 0 *
A BA B
Abbildung 7: TEM-Beugungsbilder nach Bestrahlung für Os (A) und 800s (B)Figure 7: TEM diffraction patterns after irradiation for Os (A) and 800s (B)
A B Abbildung 8: Radiale Intensitätsprofile (A) der in Abbildung 7 gezeigten Beugungsbilder sowie vergrößerte Abbildung (B).A B Figure 8: Radial intensity profiles (A) of the diffraction images shown in Figure 7 and enlarged image (B).
Dazu wurde ein Film mittels Spin-coating auf einem NaCI-Einkristall hergestellt, in aqua dest abgelöst und als TEM-Probe vermessen. Eine Probenstelle wurde mit dem Elektronenstrahl beleuchtet und im Beugungsmodus beobachtet.For this purpose, a film was prepared by spin-coating on a NaCl monocrystal, dissolved in aqua dest and measured as a TEM sample. A sample site was illuminated with the electron beam and observed in the diffraction mode.
Abbildung 7 zeigt die Beugungsbilder zum Beginn des Experimentes und nach einer Belichtungsdauer von 800s. Die Ausbildung einzelner Ringe ist deutlich erkennbar. In Abbildung 8 sind die radialen Intensitätsprofite der Beugungsbilder dargestellt. Die Bildung von CIS kann anhand der beiden entstehenden für CIS charakteristischen Peaks beobachtet und nachgewiesen werden. »t ·♦♦♦ • I · 14 »· ♦· ·♦ · • · · · # · · • · t · ♦ · · · • · · · I · ··** • · · Φ « · ·Figure 7 shows the diffraction patterns at the beginning of the experiment and after an exposure time of 800s. The formation of individual rings is clearly recognizable. Figure 8 shows the radial intensity gains of the diffraction patterns. The formation of CIS can be observed and demonstrated by the two resulting peaks characteristic for CIS. »· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
Abbildung 9: TEM-Aufnahme der Nanopartikel in der Schicht nach Bestrahlung der Probe (A), optisches Bild der bestrahlten Probenstelle (B) • · · *·· · Ψ 9 99 9Figure 9: TEM image of the nanoparticles in the layer after irradiation of the sample (A), optical image of the irradiated sample site (B) •······· 9 99 9
Nach dem Versuch konnten die gebildeten CIS-Nanopartikel, wie in Abbildung 9 gezeigt, auch mittels TEM ohne weitere Veränderung der Probe abgebildet werden. Die Partikelgröße liegt im Bereich von 2-3 nm. Im optischen Mikroskop war der bestrahlte Bereich aufgrund der Farbveränderung des Films erkennbar.After the experiment, as shown in Figure 9, the formed CIS nanoparticles could also be imaged by TEM without further alteration of the sample. The particle size is in the range of 2-3 nm. In the optical microscope, the irradiated area was recognizable due to the color change of the film.
Beispiel 6: Herstellung einer Kupferzinkzinnsulfid/MDMO-PPV-NanokompositschichtExample 6: Preparation of a copper zinc tin sulfide / MDMO-PPV nanocomposite layer
Um die Kupferzinkzinnsulfid/MDMO-PPV-Nanokompositschicht (CZTS/MDMO-PPV-Nanokompositschicht) zu erhalten, wurde ein NaCI-Einkristal! mit der Precursorlösung beschichtet und danach für 15 Minuten bei 200°C mit einer Aufheizrate von 21°C/min getempert (genauere Hersteliungsparameter sind in Tabelle 2 angeführt.To obtain the copper zinc tin sulfide / MDMO-PPV nanocomposite layer (CZTS / MDMO-PPV nanocomposite layer), a NaCl single crystal! coated with the precursor solution and then annealed for 15 minutes at 200 ° C at a heating rate of 21 ° C / min (more precise Hersteliungsparameter are listed in Table 2.
Tabelle 2: Herstellungsparameter der CZTS/MDMO-PPV-NanokompositschichtTable 2: Manufacturing parameters of the CZTS / MDMO-PPV nanocomposite layer
Polymer MDMO-PPV Cu-Xanthat Cu-Hex Zn-Xanthat Zn-Hex Sn-Xanthat Sn2S2Hex2 Cu/Zn/Sn-Verhältnis 2/1/1 CZTS/Polymer-Verhältnis 4/1 Lösungsmittel CHCI3 Aufbringungsmethode Spin-coatenPolymer MDMO-PPV Cu-Xanthat Cu-Hex Zn-Xanthat Zn-Hex Sn-Xanthat Sn2S2Hex2 Cu / Zn / Sn Ratio 2/1/1 CZTS / Polymer Ratio 4/1 Solvent CHCl3 Application Method Spin coats
Abbildung 10 zeigt eine TEM-Aufnahme und ein Beugungsbild dieser CZTS/MDMO-PPV-Nanokompositschicht. Das daraus errechnete radiale Intensitätsprofll entspricht dem von 15 • · fl fl fl • * · • · · • · » • fl # · «· • · • • fl ·· ·#· * • · • · *· · *·Figure 10 shows a TEM image and a diffraction pattern of this CZTS / MDMO-PPV nanocomposite layer. The radial intensity profile calculated from this corresponds to that of 15 × fl • • · · fl • • • # # # # # # # # # #.
Kupferzinkzinnsulfid. Demzufolge erfolgt die Herstellung der CZTS-Nanopartikel aus den Cu-, Zn- und Sn-Xanthaten innerhalb der Matrix des konjugierten Polymers in situ während dieses Heizschrittes. r) SlilBI eiii ';Uj ^ r,: τ!0·! !?!·! ί·!! ί";1 ϊ·! ι',\^:·ίί! μΜ u. 1 μιτι 5 1/i ü \ I_5Kupferzinkzinnsulfid. Accordingly, the preparation of the CZTS nanoparticles from the Cu, Zn and Sn xanthates occurs within the matrix of the conjugated polymer in situ during this heating step. r) SlilBI eiii '; Uj ^ r ,: τ! 0 ·! !?! *! ί · !! ί "1 ϊ ·! ι '\ ^ · ίί! μΜ u. 1 μιτι 5 1 / i ü \ I_5
Abbildung 10: TEM-Aufnahme der CZTS/MDMO-PPV-Nanokompositschicht (a), der markierte Bereich wurde für die Elektronenbeugung herangezogen, Beugungsbild der ausgewählten Probenstelle (b), aus dem Beugungsbild erstelltes radiales Intensitätsprofil (c)Figure 10: TEM image of the CZTS / MDMO-PPV nanocomposite layer (a), the marked area was used for the electron diffraction, diffraction pattern of the selected sample location (b), radial intensity profile created from the diffraction image (c)
Beispiel 7: Herstellung einer CIS/MDMO-PPV -Nanokomposit-Solarzelle: Für die Precursor-Lösung zur Herstellung der Nanokompositschicht wurde Cu(l)-heptylxanthat und In(111)-heptyIxanthat in einem molaren Verhältnis von 1/1,7 in Chloroform gelöst. Die erhaltene Lösung wurde anschließend zu MDMO-PPV zugegeben. Bei vollständiger Umsetzung der Cu- und In-Xanthate zu Kupferindiumdisulfid entspricht das Verhältnis CIS/MDMO-PPV 4,5/1 in der photoaktiven Nanokompositschicht. Die klare Precursor-Lösung wurde danach auf ein geeignetes Substrat aufgebracht. Um die CIS/MEH-PPV-Nanokompositschicht zu erhalten, wurden die Substrate mit der zuvor aufgebrachten Precursor-Schicht für 15 Minuten bei 200°C getempert. Als letzter Schritt wurde danach Kalzium/Aluminium als Kathodenmaterial auf die photoaktive Nanokompositschicht aufgedampft.Example 7: Preparation of a CIS / MDMO-PPV nanocomposite solar cell: For the precursor solution for the preparation of the nanocomposite layer, Cu (I) heptylxanthate and In (111) -hexy-xanthat were in a molar ratio of 1 / 1.7 in chloroform solved. The resulting solution was then added to MDMO-PPV. When the Cu and In xanthates are completely converted to copper indium disulfide, the ratio CIS / MDMO-PPV corresponds to 4.5 / 1 in the photoactive nanocomposite layer. The clear precursor solution was then applied to a suitable substrate. In order to obtain the CIS / MEH-PPV nanocomposite layer, the substrates were annealed with the previously applied precursor layer for 15 minutes at 200 ° C. As a last step, calcium / aluminum was then vapor-deposited as a cathode material onto the photoactive nanocomposite layer.
Der grundsätzliche Aufbau einer Solarzelle ist in Abbildung 11 gezeigt. Auf einem Glassubstrat (1) befindet sich eine transparente Indium-Zinn-Oxid (ITO)-Elektrode (2), die als Anode dient. Auf diesem Aufbau wird dann die photoaktive Nanokompositschicht (3) hergestellt und danach die Kathode (4) aufgebracht. Um einen geschlossenen Stromkreis zu erhalten, erfolgt die Kontaktierung über Anode und Kathode. 16 « · • · • ft ftftftft ! ·« · · · «··· • · · · * · · ·· ·· ·· ·The basic structure of a solar cell is shown in Figure 11. On a glass substrate (1) is a transparent indium tin oxide (ITO) electrode (2), which serves as an anode. The photoactive nanocomposite layer (3) is then produced on this structure and then the cathode (4) is applied. In order to obtain a closed circuit, the contacting takes place via anode and cathode. 16 "• • • ftftftftft! ·············································
Abbildung 11: Prinzipieller Aufbau einer CIS/Polymer Hybridsolarzelle; (1) Glassubstrat, (2) Indium-Zinn-Oxid (ITO)-Elektrode, (3) photoaktive Nanokompositschicht, (4) KathodeFigure 11: Basic structure of a CIS / polymer hybrid solar cell; (1) glass substrate, (2) indium tin oxide (ITO) electrode, (3) photoactive nanocomposite layer, (4) cathode
Eine repräsentative Strom/Spannungs-Kennlinie ist in Abbildung 12 gezeigt. Die offene Zellspannung (V0c) liegt bei 510 mV und der Kurzschluss-Strom (lsc) bei 5,79 mA/cm2. Mit dem Füllfaktor (FF) von 44,6% ergibt sich eine berechnete Effizienz (η) von 1,0%.A representative current / voltage characteristic is shown in Figure 12. The open cell voltage (V0c) is 510 mV and the short-circuit current (lsc) is 5.79 mA / cm2. The fill factor (FF) of 44.6% results in a calculated efficiency (η) of 1.0%.
Spannung [V] Abbildung 12: Strom/Spannungs-Kennlinie einer CIS/MDMO-PPV-SolarzelleVoltage [V] Figure 12: Current / Voltage characteristic of a CIS / MDMO PPV solar cell
Beispiel 8: Herstellung von CIS/Polymer-Solarzellen mit unterschiedlichen photoaktiven PolymerenExample 8: Preparation of CIS / polymer solar cells with different photoactive polymers
Simultan zu der oben beschriebenen Herstellung der CIS/MDMO-PPV Solarzelle wurden auch weitere Nanokomposit-Solarzellen mit anderen konjugierten Polymeren hergestellt.Simultaneously with the production of the CIS / MDMO-PPV solar cell described above, further nanocomposite solar cells were produced with other conjugated polymers.
Tabelle 3 gibt einen Überblick über mögliche Kombinationen und die damit erhaltenen Ergebnisse. 17Table 3 gives an overview of possible combinations and the results obtained therewith. 17
Tabelle 3: Getestete photoaktive Polymere zur Herstellung von CIS/Polymer SolarzellenTable 3: Tested photoactive polymers for the preparation of CIS / polymer solar cells
Beispiel 1 2 3 4 5 6 Polymer PF-Gly F8BT F8T2 P3EBT P3HT MEH-PPV Cu-Xanthat Cu-Amyl Cu-Amyl Cu-Amyl Cu-Amyl Cu-Amyl Cu-Amyl In-Xanthat In-Et3 In-EU In-Et3 In-Et3 In-Et3 In-Et3 Cu/In- Verhältnis 1/1,7 1/1,7 1/1,7 1/1,7 1/1,7 1/1,7 CIS/Polymer- Verhältnis 3/1 3/1 3/1 2/1 2/1 4/1 VocM 0,202 0,520 0,377 0,533 0,221 0,65 Isc [mA/cm*] 2,41 0,72 0,84 0,52 0,08 1,66 FF [%] 29,0 26,9 28,1 28,0 24,7 33,5 Π [%] 0,14 0,10 0,09 0,08 0,005 0,35 PF-Gly: Poly(9,9-di{2-[2-(2-methoxy-ethoxy)ethoxy]ethyl}fluorenyl-2,7-diyl) F8BT: Poly[(9,9-di-n-octylfluorenyl-2,7-diyl)-a/f-(benzo[2,1,3jthiadiazol-4,8-diyl)] P3EBT: Poly[3-(ethyl-4-butanoate)thiophene-2,5-diyl] P3HT: Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)Example 1 2 3 4 5 6 Polymer PF-Gly F8BT F8T2 P3EBT P3HT MEH-PPV Cu-Xanthat Cu-Amyl Cu-Amyl Cu-Amyl Cu-Amyl Cu-Amyl Cu-Amyl In-Xanthat In-Et3 In-EU In Et3 In-Et3 In-Et3 In-Et3 Cu / In ratio 1 / 1.7 1 / 1.7 1 / 1.7 1 / 1.7 1 / 1.7 1 / 1.7 CIS / polymer ratio 3/1 3/1 3/1 2/1 2/1 4/1 VocM 0,202 0,520 0,377 0,533 0,221 0,65 Isc [mA / cm *] 2,41 0,72 0,84 0,52 0,08 1 , 66 FF [%] 29.0 26.9 28.1 28.0 24.7 33.5 Π [%] 0.14 0.10 0.09 0.08 0.005 0.35 PF-Gly: poly ( 9,9-di {2- [2- (2-methoxyethoxy) ethoxy] ethyl} fluorenyl-2,7-diyl) F8BT: poly [(9,9-di-n-octylfluorenyl-2,7-diyl ) -a / f- (benzo [2,1,3-thiadiazole-4,8-diyl)] P3EBT: poly [3- (ethyl-4-butanoate) thiophene-2,5-diyl] P3HT: poly (3-hexylthiophene -2,5-diyl)
Beispiel 9: Herstellung von Zinksulfid-CIS/Polymer-SolarzeilenExample 9: Preparation of Zinc Sulfide CIS / Polymer Solar Lines
Weiters besteht auch die Möglichkeit durch Zugabe von Zn-Xanthat Zinksulfid-CIS-Mischphasen (ZnS-CIS-Mischphasen) zu bilden. Der Einfluss solcher Mischphasen auf die Eigenschaften einer ZnS-CIS/F8T2-Solarzelle ist in Tabelle 4 gezeigt. Bis zu einem Cu/Zn-Verhältnis von 1/0,1 kommt es zu einer deutlichen Verbesserung des Kurzschluss-Stromes und des Füllfaktors und somit zu einer Steigerung des Wirkungsgrades bis auf 0,59%.Furthermore, it is also possible by adding Zn-xanthate to form zinc sulfide-CIS mixed phases (ZnS-CIS mixed phases). The influence of such mixed phases on the properties of a ZnS-CIS / F8T2 solar cell is shown in Table 4. Up to a Cu / Zn ratio of 1 / 0.1 there is a significant improvement of the short-circuit current and the fill factor and thus an increase in the efficiency up to 0.59%.
Tabelle 4: ZnS-CIS/F8T2-Solarzel!en mit unterschiedlichen Anteilen an ZnSTable 4: ZnS-CIS / F8T2 solar cells with different proportions of ZnS
Beispiel 1 2 3 4 5 6 7 Cu-Xanthat Cu-Hex Cu-Hex Cu-Hex Cu-Hex Cu-Hex Cu-Hex Cu-Hex In-Xanthat In-Hex3 In-Hex3 In-Hex3 In-Hex3 In-Hexs In-Hex3 In-Hex3 Zn-Xanthat Zn-Hex2 Zn-Hex2 Zn-Hex2 Zn-Hex2 Zn-Hex2 Zn-Hexz Zn-Hex2 Cu/In- Verhältnis 1/1,7 1/1,7 1/1,7 1/1,7 1/1,7 1/1,7 1/1,7 Cu/Zn- Verhältnis 1/0 1/0,05 1/0,1 1/0,15 1/0,4 1/1 1/1,5 Voc[V] 0,42 0,4 0,45 0,35 0,36 0,47 0,51 Isc [mA/cmz] 2,75 3,39 3,74 3,22 3,36 1,57 0,76 *° * · · · · · · · » M« * • · » * * · · · · • * »· ♦# «ι · ♦ · FF [%] 33,7 35,0 35,1 32,15 27,4 28,0 25,6 n [%I 0,39 0,47 0,59 0,36 0,32 0,20 0,10Example 1 2 3 4 5 6 7 Cu-Xanthat Cu-Hex Cu-Hex Cu-Hex Cu-Hex Cu-Hex Cu-Hex Cu-Hex In-Xanthat In-Hex3 In-Hex3 In-Hex3 In-Hex3 In-Hexs In-Hex3 In-Hex3 Zn-Xanthat Zn-Hex2 Zn-Hex2 Zn-Hex2 Zn-Hex2 Zn-Hex2 Zn-Hex Zn-Hex2 Cu / In Ratio 1 / 1.7 1 / 1.7 1 / 1.7 1 / 1.7 1 / 1.7 1 / 1.7 1 / 1.7 Cu / Zn ratio 1/0 1 / 0.05 1 / 0.1 1 / 0.15 1 / 0.4 1 / 1 1 / 1.5 Voc [V] 0.42 0.4 0.45 0.35 0.36 0.47 0.51 Isc [mA / cm 2] 2.75 3.39 3.74 3.22 3 , 36 1,57 0,76 * ° * · · · · · · · »M« * »·» * * · · · · · «*» · ♦ # «ι · ♦ · FF [%] 33,7 35 , 0 35.1 32.15 27.4 28.0 25.6 n [% I 0.39 0.47 0.59 0.36 0.32 0.20 0.10
Beispiel 10: Herstellung von CIS/Polymer-Solarzellen mit unterschiedlichen LösungsmittelnExample 10: Preparation of CIS / polymer solar cells with different solvents
Aufgrund der hervorragenden Löslichkeit der beschriebenen Cu- und In-Precursor können eine Reihe von unterschiedlichen organischen Lösungsmitteln im Gemisch oder auch pur zur Herstellung der Precursor-Lösung verwendet werden. Dadurch kann die Morphologie der erhaltenen CIS/Polymer-Nanokompositschicht gezielt verändert und die Effizienz von den Solarzellen stark beeinflusst werden.Due to the excellent solubility of the described Cu and In precursor, a number of different organic solvents in a mixture or pure can be used for the preparation of the precursor solution. As a result, the morphology of the resulting CIS / polymer nanocomposite layer can be selectively altered and the efficiency of the solar cells greatly influenced.
Tabelle 5 und Tabelle 6 geben eine exemplarische Übersicht über mögliche Lösungsmittel und Lösungsmittelkombinationen zur Herstellung einer CIS/F8T2-Solarzelle und einer CIS/MEH-PPV-Solarzelie.Table 5 and Table 6 give an exemplary overview of possible solvents and solvent combinations for making a CIS / F8T2 solar cell and a CIS / MEH-PPV solar cell.
Tabelle 5: Einfluss verschiedener Lösungsmittel und Lösungsmittelkombinationen auf die Parameter von CIS/F8T2-SolarzellenTable 5: Influence of different solvents and solvent combinations on the parameters of CIS / F8T2 solar cells
Beispiel 1 2 3 4 5 Lösungsmittel CHCI3 THF Chlorbenzol Dichlorbenzol CHCI3/THN 0,9/0,1 Cu-Xanthat Cu-Hex Cu-Hep Cu-Hep Cu-Hep Cu-Hep In-Xanthat In-Hex3 In-Hep3 In-Hep3 In-Hep3 In-Hep3 Cu/In- Verhältnis 1/1,7 1/1,7 1/1,7 1/1,7 1/1,7 ClS/Polymer- Verhältnis 4/1 4/1 4/1 4/1 4/1 VOC [V] 0,57 0,33 0,47 0,29 0,33 ISC [mA/cm2] 3.71 1,09 4,28 2,98 0,60 FF [%] 31,2 29,8 21,7 38,8 29,8 n [%] 0,66 0,11 0,44 0,34 0,11 THF: Tetrahydrofuran THN: Tetrahydronaphthalin t9 ::Example 1 2 3 4 5 solvent CHCl 3 THF chlorobenzene dichlorobenzene CHCl 3 / THN 0.9 / 0.1 Cu-xanthate Cu-hex Cu-Hep Cu-Hep Cu-Hep Cu-Hep In-Xanthate In-Hex 3 In-Hep 3 In Hep3 In-Hep3 In-Hep3 Cu / In Ratio 1 / 1.7 1 / 1.7 1 / 1.7 1 / 1.7 1 / 1.7 ClS / Polymer Ratio 4/1 4/1 4 / 1 4/1 4/1 VOC [V] 0,57 0,33 0,47 0,29 0,33 ISC [mA / cm2] 3.71 1,09 4,28 2,98 0,60 FF [%] 31 , 2.29.8 21.7 38.8 29.8 n [%] 0.66 0.11 0.44 0.34 0.11 THF: tetrahydrofuran THN: tetrahydronaphthalene t9 ::
Tabelle 6: Einfluss verschiedener Lösungsmittel auf die Parameter von CIS/MEH-PPV SolarzellenTable 6: Influence of different solvents on the parameters of CIS / MEH-PPV solar cells
Beispiel 1 2 Lösungsmittel CHCI3 Toluol Cu-Xanthat Cu-Hep Cu-Hep In-Xanthat In-Hep3 In-Hepa Cu/in-Verhältnis 1/1,7 1/1,7 CIS/Polymer-Verhältnis 4,5/1 5/1 Voc[V] 0,53 0,33 Uc [mA/cm^] 2,89 1,06 FF [%] 32,7 27,1 rj[%] 0,50 0,16Example 1 2 CHCI3 solvent toluene Cu-xanthate Cu-Hep Cu-Hep In-Xanthate In-Hep3 In-Hepa Cu / in ratio 1 / 1.7 1 / 1.7 CIS / polymer ratio 4.5 / 1 5 / 1 Voc [V] 0.53 0.33 Uc [mA / cm ^] 2.89 1.06 FF [%] 32.7 27.1 rj [%] 0.50 0.16
Abbildung 13 zeigt das „Incident-Photon-to-electron Conversion Efficiency’’-Spektrum (IPCE-Spektrum), bei dem der Photostrom spektral gemessen wird, und das Absorptions-Spektrum der CIS/MEH-PPV-Solarzelle aus Tabelle 6/Beispiel 1. Der Anstieg der Absorption im Bereich von 850nm bis 600nm ist hauptsächlich auf die CIS-Nanopartikel zurückzuführen. Ab ca. 600 nm beginnt MEH-PPV zu absorbieren, was sich in einem ausgeprägten Anstieg der Absorption zeigt. Aus der Gegenüberstellung des IPCE-Spektrums und des Absorptionsspektrums ist zu erkennen, dass die anorganischen Nanopartikel eindeutig zur Stromgenerierung beitragen. Schon außerhalb des Absorptionsbereichs des Polymers {> 600nm) kommt es zu einem beträchtlichen Anstieg der IPCE-Kurve beginnend mit dem Absorptionsanfang der Nanopartikel bei etwa 850 nm.Figure 13 shows the Incident-Photon-to-Electron Conversion Efficiency spectrum (IPCE spectrum), where the photocurrent is measured spectrally, and the absorption spectrum of the CIS / MEH-PPV solar cell from Table 6 / Example 1. The increase in absorption in the 850nm to 600nm range is mainly due to the CIS nanoparticles. From about 600 nm MEH-PPV begins to absorb, which is reflected in a pronounced increase in absorption. From the comparison of the IPCE spectrum and the absorption spectrum, it can be seen that the inorganic nanoparticles clearly contribute to the generation of electricity. Even outside the absorption range of the polymer {> 600 nm) there is a considerable increase in the IPCE curve starting with the absorption beginning of the nanoparticles at about 850 nm.
Abbildung 13: IPCE- und Absorptions-Spektrum einer CIS/MEH-PPV-Solarzelle 20 • · • ·Figure 13: IPCE and absorption spectrum of a CIS / MEH PPV solar cell 20 • · • ·
Beispiel 11: Herstellung von CIS/Polymer-Solarzellen mit unterschiedlichen Cu/In-VerhältnissenExample 11: Preparation of CIS / polymer solar cells with different Cu / In ratios
Durch Variation des Verhältnisses von Cu-Xanthat zu In-Xanthat können die Eigenschaften der sich bildenden CIS-Nanopartikel und der damit erhaltenen Nanokompositschicht beeinflusst werden.By varying the ratio of Cu-xanthate to In-xanthate, the properties of the forming CIS nanoparticles and the resulting nanocomposite layer can be influenced.
Tabelle 7 gibt eine Übersicht über den Einfluss des Cu/In-Verhältnisses auf die Parameter von CIS/F8T2-Solarzellen.Table 7 gives an overview of the influence of the Cu / In ratio on the parameters of CIS / F8T2 solar cells.
Tabelle 7: Einfluss des Cu/In-Verhältnisses auf die Parameter von C IS/F8T2-Solarze!lenTable 7: Influence of the Cu / In ratio on the parameters of C IS / F8T2 solar cells
Beispiel 1 2 3 4 5 Lösungsmittel CHCla CHCI3 CHCI3 CHCI3 chci3 Cu-Xanthat Cu-Hex Cu-Hex Cu-Hex Cu-Hex Cu-Hex In-Xanthat In-Hex3 In-Hex3 In-Hex3 in-Hex3 In-Hex3 Cu/In-Verhältnis 1/1,9 1/1,7 1/1,6 1/1,5 1/1,3 ClS/Polymer- Verhältnis 4/1 4/1 4/1 4/1 4/1 VocM 0,3 0,55 0,31 0,45 0,02 Isc EmA/cm*] 3,69 3,65 2,37 2,90 1,00 FF [%] 29,3 30,1 26,6 27,6 35,0 ΠΕ%] 0,38 0,66 0,26 0,57 0,01Example 1 2 3 4 5 Solvents CHCl3 CHCl3 CHCl3 CHCl3 chci3 Cu-Xanthat Cu-Hex Cu-Hex Cu-Hex Cu-Hex Cu-Hex In-Xanthate In-Hex3 In-Hex3 In-Hex3 In-Hex3 In-Hex3 Cu / In ratio 1 / 1.9 1 / 1.7 1 / 1.6 1 / 1.5 1 / 1.3 ClS / polymer ratio 4/1 4/1 4/1 4/1 4/1 VocM 0 , 3 0.55 0.31 0.45 0.02 Isc EmA / cm *] 3.69 3.65 2.37 2.90 1.00 FF [%] 29.3 30.1 26.6 27, 6 35.0%] 0.38 0.66 0.26 0.57 0.01
Beispiel 12: Herstellung von CIS/Polymer-Solarzellen mittels RakelnExample 12: Preparation of CIS / polymer solar cells by means of doctoring
Ein weiterer Vorteil in der Verwendung von unterschiedlichsten Lösungsmitteln liegt darin, dass Eigenschaften, wie zum Beispiel Viskosität, Siedepunkt, Löslichkeit der Precursor, etc., genau eingestellt werden können und somit ein breites Spektrum an Aufbringungsmethoden für die Precursor-Schicht zur Verfügung steht. Im Gegensatz zum Spincoaten, das auf recht kleine Substrate limitiert ist, können beim Rakeln (Doctor Blading) auch großflächige Substrate mit der Precursoriösung gleichmäßig beschichtet werden.Another advantage in the use of a wide variety of solvents is that properties such as viscosity, boiling point, solubility of the precursor, etc., can be precisely adjusted and thus a wide range of application methods for the precursor layer is available. In contrast to spincoating, which is limited to quite small substrates, even large-area substrates can be uniformly coated with the precursor solution during doctor blading.
Tabelle 8 gibt die durchschnittlichen Wirkungsgrade von CIS/Polymer-Solarzellen, die entlang eines Substrats mit den Abmaßen von 7cm x 4cm, wie in Abbildung 14 schematisch gezeigt, wieder. *1 • · · * « • # » φ # · • φ·*· φφφ φ • · · · • φφ ·Table 8 gives the average efficiencies of CIS / polymer solar cells along a substrate measuring 7cm x 4cm, as shown schematically in Figure 14. * 1 • · · * «• #» φ # · • φ · * · φφφ φ • · · · • φφ ·
ε ο S 4—-* 4 cm 1: Glas-Substrat 2: Indlum-Zinn-Oxld-Schicht 3: photoaktive Nanokompositschicht 4: Kathodeε ο S 4 - * 4 cm 1: glass substrate 2: indium tin oxide layer 3: photoactive nanocomposite layer 4: cathode
Abbildung 14: Verteilung von CIS/Polymer-Solarzellen entlang eines Substrats, bei dem die Precursorlösung mittels Rakeln aufgebracht wurdeFigure 14: Distribution of CIS / polymer solar cells along a substrate, where the precursor solution was applied by doctoring
Tabelle 8: Durchschnittliche Wirkungsgrade von CIS/Polymer-Solarzellen, bei denen die Precursor-Schicht mittels Rakeln aufgebracht wurdeTable 8: Average efficiencies of CIS / polymer solar cells where the precursor layer was applied by doctoring
Beispiel 1 2 Polymer F8T2 MDMO-PPV Lösungsmittel CHCI3 Chlorbenzol Cu-Xanthat Cu-Hex Cu-Hep In-Xanthat In-Hex3 In-Hep3 Cu/In-Verhältnis 1/1,7 1/1,7 CIS/Polymer-Verhältnis 4/1 4,5/1 VocM 0,54 0,60 Isc [mA/cm*] 2,89 6,89 FF [%] 25,7 41,3 Π [%] 0,41 1,31Example 1 2 Polymer F8T2 MDMO-PPV Solvent CHCl 3 Chlorobenzene Cu-Xanthate Cu-Hex Cu-Hep In-Xanthate In-Hex 3 In-Hep 3 Cu / In Ratio 1 / 1.7 1 / 1.7 CIS / Polymer Ratio 4 / 1 4.5 / 1 VocM 0.54 0.60 Isc [mA / cm *] 2.89 6.89 FF [%] 25.7 41.3 Π [%] 0.41 1.31
Beispiel 13: Herstellung von CIS/Polymer-Solarzellen mit Dithiocarbamaten als Cu- und In-PrecursorExample 13 Preparation of CIS / Polymer Solar Cells with Dithiocarbamates as Cu and In Precursor
Neben Xanthaten können auch Dithiocarbamate zur Herstellung von CIS/Polymer-Solarzellen verwendet werden. Abbildung 15 zeigt die Kennlinie einer CIS/MEH-PPV-Solarzelle, basierend auf Cu- und ln-Dithiocarbamaten. In der Precursorlösung wurde das Cu/In-Verhältnis auf 1/1,7 bzw. das CIS/Polymer-Verhältnis auf 1/3 eingestellt und als Lösungsmittel Chloroform verwendet. 22 * « ·*· • ·In addition to xanthates, dithiocarbamates can also be used to prepare CIS / polymer solar cells. Figure 15 shows the characteristics of a CIS / MEH PPV solar cell based on Cu and ln dithiocarbamates. In the precursor solution, the Cu / In ratio was adjusted to 1/1/7 and the CIS / polymer ratio was set to 1/3 and used as the solvent chloroform. 22 * «· * · • ·
Abbildung 15; Strom-Spannungs-Kennlinie einer CIS/MEH-PPV-Solarzelle, basierend auf Cu- und In-DithiocarbamatenFigure 15; Current-voltage characteristic of a CIS / MEH PPV solar cell based on Cu and in-dithiocarbamates
2-Theta-Scale2-theta scale
Abbildung 16: XRD einer CIS-Schicht hergestellt aus Cu- und In-Dithiocarbamaten XRD-DiffraktogrammFigure 16: XRD of a CIS layer made of Cu and in-dithiocarbamates XRD diffractogram
Abbildung 16 zeigt ein Röntgendiffraktogramm einer CIS-Schicht, welche aus Cu- und In-Dithiocarbamaten hergestellt wurde. Neben stöchiometrischem CIS wird auch eine indiumreiche Phase gebildet. Die 3 intensivsten Peaks bei 28°, 46 ° und 55° 2Θ stimmen mit den intensivsten Peaks von stöchiometrischem CIS überein (PDF 01-075-0106). Die schwächeren Peaks bei 32°, 44°, 58°, 68“ und 75° 2Θ stammen ebenfalls von stöchiometrischem CIS. Die Peaks bei 23°, 33°, 41°, 48“, 60° und 80β 2Θ stammen höchstwahrscheinlich von indiumreichem Kupferindiumsulfid InisjCuo.geCui.ge^ (PDF 01-081-0785). Die Peaks bei 28°, 44®, 68°, 71e, 77° 2Θ können von beiden Materialien stammen.Figure 16 shows an X-ray diffractogram of a CIS layer prepared from Cu and in-dithiocarbamates. In addition to stoichiometric CIS, an indium-rich phase is also formed. The 3 most intense peaks at 28 °, 46 ° and 55 ° 2Θ agree with the most intense peaks of stoichiometric CIS (PDF 01-075-0106). The weaker peaks at 32 °, 44 °, 58 °, 68 "and 75 ° 2Θ are also from stoichiometric CIS. The peaks at 23 °, 33 °, 41 °, 48 ", 60 ° and 80β 2Θ most likely originate from indium-rich copper indium sulfide InisjCuo.geCui.ge ^ (PDF 01-081-0785). The peaks at 28 °, 44 °, 68 °, 71 °, 77 ° 2 ° can originate from both materials.
Anhand der durchgeführten Syntheserouten und der in diesem Zusammenhang angefertigten Analysedaten kann gezeigt werden, dass in einem verfahrenstechnisch unkomplizierten Lösungsweg sehr effiziente Nanokompositstrukturen bereitgestellt werden können, welche leistungsstarke Komponenten für den Bereich der Photovoltaik und Optoelektronik darstellen. «« ···« «« ···« • · }4 ·· ψ · · ο«· · · · · ··«··· * · · »· ** ·· · ·« ·On the basis of the synthesized routes and the analysis data prepared in this context, it can be shown that very efficient nanocomposite structures, which are powerful components for the field of photovoltaics and optoelectronics, can be provided in a procedurally uncomplicated solution. «« ··· «« «···« • ·} 4 ·· ψ · · ο «· · · · · ·························································
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