Application of a hybrid blocking layer in dye-sensitized solar cells

In dye-sensitized solar cells a blocking layer between the transparent electrode and the mesoporous titanium dioxide film is used to prevent short-circuits between the hole-conductor and the front electrode. The conventional approach is to use a compact layer of titanium dioxide prepared by spin coating or spray pyrolysis. The thickness of the blocking layer is critical. On one hand, the layer has to be thick enough to cover the rough substrate completely. On the other hand, the serial resistance increases with increasing film thickness, because the layer acts as an ohmic resistance itself. In this thesis an amphiphilic diblock copolymer is used as a functional template to produce an alternative, hybrid blocking layer. The hybrid blocking layer is thinner than the conventional, compact titanium dioxide film and thereby possesses a higher conductivity. Still, this type of blocking layer covers the rough electrode material completely and avoids current loss through charge recombination. The novel blocking layer is prepared using a tailored, amphiphilic block copolymer in combination with sol-gel chemistry. While the hydrophilic poly(ethylene oxide) part of the polymer coordinates a titanium dioxide precursor to form a percolating network of titania particles, the hydrophobic poly(dimethylsiloxane) part turns into an insulating ceramic layer. With this technique, crack-free films with a thickness down to 24 nm are obtained. The presence of a conductive titanium dioxide network for current flow, which is embedded in an insulating ceramic material, is validated by conductive scanning force microscopy. This is the first time that such a hybrid blocking layer is implemented in a solar cell. With this approach the efficiency could be increased up to 27 % compared to the conventional blocking layer. Thus, it is demonstrated that the hybrid blocking layer represents a competitive alternative to the classical approach.

In Farbstoffsolarzellen wird eine Barriereschicht zwischen der transparenten Elektode und dem mesoporösen Titandioxid verwendet, um Kurzschlüsse zu verhindern. Die konventionelle Variante ist ein kompakter Titandioxid-Film, hergestellt durch Rotationsbeschichtung oder Spraypyrolyse. Die Schichtdicke der Barriereschicht ist dabei entscheidend. Zum einen muss die Schicht dick genug sein, um das rauhe Substrat komplett zu bedecken. Zum anderen erhöht sich mit steigender Schichtdicke der Serienwiderstand, da die Schicht einen ohmschen Widerstand darstellt. In dieser Arbeit wird ein amphiphiles Diblockcopolymer als funktionelles Templat verwendet, um eine alternative, hybride Barriereschicht herzustellen. Die hybride Barriereschicht ist dünner als der konventionelle, kompakte Titandioxid-Film und besitzt dadurch eine höhere Leitfähigkeit. Trotzdem bedeckt diese Barriereschicht das rauhe Elektrodenmaterial vollständig und verhindert den Stromverlust verursacht durch Ladungsrekombination. Die neue Barriereschicht wird mit Hilfe eines maßgeschneiderten, amphiphilen Blockcopolymers über Sol-Gel-Chemie hergestellt. Während der hydrophile Poly(ethylenoxid)-Teil des Polymers mit einen Titandioxid-Präkursor ein perkolierendes Titandioxid-Netzwerk bildet, wandelt sich der hydrophobe Poly(dimethylsiloxan)-Teil in eine isolierende Keramikschicht um. Mit dieser Technik können rissfreie, hybride Filme mit Schichtdicken bis zu 24 nm hergestellt werden. Ein leitfähiges Titandioxid-Netzwerk, eingebettet in ein isolierendes, keramisches Material, wurde mittels Leitfähigkeits-Rasterkraftmikroskopie nachgewiesen. Dies ist das erste Mal, dass eine solche hybride Barriereschicht in eine Solarzelle eingebaut wurde. Dadurch konnte die Effizienz um bis zu 27 % gesteigert werden. Die hybride Barriereschicht stellt somit eine vielversprechende Alternative zur konventionellen Variante dar.