Self assembled materials for solar cell application

In der vorliegenden Arbeit wurden Materialien und Aufbauten für Hybrid Solarzellen entwickelt und erforscht. rnDer Vergleich zweier bekannter Lochleitermaterialien für Solarzellen in einfachen Blend-Systemen brachte sowohl Einsicht zur unterschiedlichen Eignung der Materialien für optoelektronische Bauelemente als auch neue Erkenntnisse in Bereichen der Langzeitstabilität und Luftempfindlichkeit beider Materialien.rnWeiterhin wurde eine Methode entwickelt, um Hybrid Solarzelle auf möglichst unkomplizierte Weise aus kostengünstigen Materialien darzustellen. Die „Eintopf“-Synthese ermöglicht die unkomplizierte Darstellung eines funktionalen Hybridmaterials für die optoelektronische Anwendung. Mithilfe eines neu entwickelten amphiphilen Blockcopolymers, das als funktionelles Templat eingesetzt wurde, konnten mit einem TiO2-Precursor in einem Sol-Gel Ansatz verschiedene selbstorganisierte Morphologien des Hybridmaterials erhalten werden. Verschiedene Morphologien wurden auf ihre Eignung in Hybrid Solarzellen untersucht. Ob und warum die Morphologie des Hybridsystems die Effizienz der Solarzelle beeinflusst, konnte verdeutlicht werden. Mit der Weiterentwicklung der „Eintopf“-Synthese, durch den Austausch des TiO2-Precursors, konnte die Solarzelleneffizienz von 0.15 auf 0.4 % gesteigert werden. Weiterhin konnte die Übertragbarkeit des Systems durch den erfolgreichen Austausch des Halbleiters TiO¬2 mit ZnO bewiesen werden.rn

Nucleobase-metal hybrid materials: Preparation of submicrometer-scale, spherical colloidal particles of adenine-gold(III) via a supramolecular hierarchical self-assembly approach

We report a simple and effective supramolecular route for facile synthesis of submicrometer-scale, hierarchically self-assembled spherical colloidal particles of adenine - gold(III) hybrid materials at room temperature. Simple mixture of the precursor aqueous solutions of adenine and HAuCl4 at room temperature could result in spontaneous formation of the hybrid colloidal particles. Optimization of the experimental conditions could yield uniform-sized, self-assembled products at 1:4 molar ration of adenine to HAuCl4. Transmission electron microscopy results reveal the formation of hierarchical self-assembled structure of the as-prepared colloidal particles. Concentration dependence, ratio dependence, time dependence, and kinetic measurements have been investigated. Moreover, spectroscopic evidence [i.e., Fourier transform infrared (FTIR) and UV-vis spectra and wide-angle X-ray scattering data] of the interaction motives causing the formation of the colloidal particles is also presented.

Hybrid Materials Combining Photoactive 2,3-Didecyloxy Anthracene Physical Gels and Gold Nanoparticles

Organic/inorganic hybrid gels have been developed in order to control the three-dimensional structure of photoactive nanofibers and metallic nanoparticles (NPs). These materials are prepared by simultaneous self-assembly of the 2,3-didecyloxyanthracene (DDOA) gelator and of thiol-capped gold nanoparticles (AuNPs). TEM and fluorescence measurements show that alkane-thiol capped AuNPs are homogeneously dispersed and tightly attached to the thermoreversible fibrillar network formed by the organogelator in n-butanol or n-decanol. Rheology and thermal stability measurements reveal moreover that the mechanical and thermal stabilities of the DDOA organogels are not significantly altered and that they remain strong, viscoelastic materials. The hybrid materials display a variable absorbance in the visible range because of the AuNPs, whereas the strong luminescence of the DDOA nanofibers is efficiently quenched by micromolar amounts of AuNPs. Besides, we obtained hybrid aerogels using supercritical CO2. These arc very low-density porous materials showing fibrillar networks oil which fluorinated gold NPs arc dispersed. These hybrid materials are of high interest because of their tunable optical properties and are under investigation for efficient light scattering.

Sugar–derived organogels as templates for structured, photoluminescent conjugated polymer-inorganic hybrid materials

Co-assembly of an inorganic–organic hybrid material through the combination of supramolecular organogel self-assembly, phase partitioning of a conjugated polymer (CP) and transcription of an inorganic oxide leads to a hybrid material with structured domains of organogel, CP and silica within tube and rod microstructures.

Supramolecular Approach to Gold Nanoparticle/Triruthenium Cluster Hybrid Materials and Interfaces

A systematic and comprehensive study of the interaction of citrate-stabilized gold nanoparticles with triruthenium cluster complexes of general formula [Ru(3)(CH(3)COO)(6)(L)](+) [L = 4-cyanopyridine (4-CNpy), 4,4`-bipyridine (4,4`-bpy) or 4,4`-bis(pyridyl)ethylene (bpe)] has been carried out. The cluster-nanoparticle interaction in solution and the construction of thin films of the hybrid materials were investigated in detail by electronic and surface plasmon resonance (SPR) spectroscopy, Raman scattering spectroscopy and scanning electron microscopy (SEM). Citrate-stabilized gold nanoparticles readily interacted with [Ru(3)O(CH(3)COO)(6)(L)(3)](+) complexes to generate functionalized nanoparticles that tend to aggregate according to rates and extents that depend on the bond strength defined by the characteristics of the cluster L ligands following the sequence bpe > 4,4`-bpy >> 4-CNpy. The formation of compact thin films of hybrid AuNP/[Ru(3)O(CH(3)COO)(6)(L)(3)](+) derivatives with L = bpe and 4,4`-bpy indicated that the stability/lability of AuNP-cluster bonds as well as their solubility are important parameters that influence the film contruction process. Fluorine-doped tin oxide electrodes modified with thin films of these nanomaterials exhibited similar electrocatalytic activity but much higher sensitivity than a conventional gold electrode in the oxidation of nitrite ion to nitrate depending on the bridging cluster complex, demonstrating the high potential for the development of amperometric sensors.

Phosphonic acid-containing molecules as proton conductors and linkers for hybrid materials

In dieser Arbeit werden zwei Arten von nicht-kovalent verknüpften Netzwerkstrukturen vorgestellt, die aus phosphonsäurehaltigen Molekülen aufgebaut sind. Einerseits sollen diese phosphonsäurehaltigen Moleküle als Protonenleiter in Brennstoffzellen eingesetzt werden. Dies ist durch die Möglichkeit des kooperativen Protonentransports in wasserstoffbrückenhaltigen Netzwerken begründet. Auf der anderen Seite sollen die phosphonsäurehaltigen Moleküle unter Einsatz von Metallkationen zur Darstellung ionischer Netzwerke verwendet werden. In diesem Fall fungieren die phosphonierten Moleküle als Linker in porösen organisch-anorganischen Hybridmaterialien, die sich beispielsweise zur Gasspeicherung eignen.rnEine Brennstoffzelle stellt Energie mit hoher Effizienz und geringer Umweltbelastung bereit. Das Herzstück der Brennstoffzelle ist die Elektrolytmembran, die auch als Separator oder Protonenaustauschmembran (PEM) bezeichnet wird. Es wird davon ausgegangen, daß der Schlüssel zur Weiterentwicklung der PEM-Brennstoffzellen in der Entwicklung von Elektrolyten liegt, die ausschließlich und effizient Protonen transportieren und darüber hinaus chemisch (oxidationsbeständig) und mechanisch stabil sind. Die mechanische Stabilität betrifft insbesondere den Betrieb der Brennstoffzelle bei hohen Temperaturen und niedriger relativer Feuchtigkeit. In dieser Arbeit wird ein neuartiger Ansatz zum Erreichen eines hohen Protonentransports im Festkörper vorgestellt, der auf dem Einsatz kleiner Moleküle beruht, die durch Selbstorganisation eine kontinuierliche protonenleitende Phase erzeugen. Bis jetzt stellt Hexakis(p-phosphonatophenyl)benzol das erste Beispiel eines kristallinen Protonenleiters dar, der im festen Zustand eine hohe und konstante Leistung zeigt. Die Modifizierung von Hexakis(p-phosphonatophenyl)benzol, entweder durch Änderung von para- zu meta-Substitution oder die Einführung von Alkylketten, führt zu Verbindungen geringerer Kristallinität und niedriger Protonenleitfähigkeit.rnIm zweiten Teil der Arbeit wurde 1,3,5-Tris(p-phosphonatophenyl)benzol als Linker in der Synthese von offenen Phosphonat-Netzwerken eingesetzt. Es bilden sich aufgrund der ionischen Wechselwirkung zwischen den positiv geladenen Metallkationen und den negativ geladenen Phosphonsäuregruppen hochstabile Feststoffe. Eines der wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit besteht darin, daß 1,3,5-Tris(p-phosphonatophenyl)benzol als Linker zum Aufbau poröser Hybridmaterialien eingesetzt werden kann. Zum ersten Mal wurde ein dreifach phosphoniertes organisches Molekül zum Aufbau mikroporöser offener Phosphonat-Netzwerke verwendet. Zudem konnte gezeigt werden, daß die Porosität mit dem Wachstumsmechanismus dieser Materialien zusammenhängt. Es ist nur dann möglich ein gleichfalls mikroporöses und kristallines ionisches Netzwerk auf der Grundlage phosphonierter Moleküle zu erhalten, wenn Linker und Konnektor die gleiche Geometrie und Funktionalität besitzen.rn

Towards a controlled growth of self-assembled nanostructures: shaping, ordering and localization in Ge/Si heteroepitaxy.

The strain-induced self-assembly of suitable semiconductor pairs is an attractive natural route to nanofabrication. To bring to fruition their full potential for actual applications, individual nanostructures need to be combined into ordered patterns in which the location of each single unit is coupled with others and the surrounding environment. Within the Ge/Si model system, we analyze a number of examples of bottom-up strategies in which the shape, positioning, and actual growth mode of epitaxial nanostructures are tailored by manipulating the intrinsic physical processes of heteroepitaxy. The possibility of controlling elastic interactions and, hence, the configuration of self-assembled quantum dots by modulating surface orientation with the miscut angle is discussed. We focus on the use of atomic steps and step bunching as natural templates for nanodot clustering. Then, we consider several different patterning techniques which allow one to harness the natural self-organization dynamics of the system, such as: scanning tunneling nanolithography, focused ion beam and nanoindentation patterning. By analyzing the evolution of the dot assembly by scanning probe microscopy, we follow the pathway which leads to lateral ordering, discussing the thermodynamic and kinetic effects involved in selective nucleation on patterned substrates.

Metal cholate hydrogels: versatile supramolecular systems for nanoparticle embedded soft hybrid materials

This work describes the formation of hydrogels from sodium cholate solution in the presence of a variety of metal ions (Ca2+, Cu2+, Co2+, Zn2+, Cd2+, Hg2+ and Ag+). Morphological studies of the xerogels by electron microscopy reveal the presence of helical nanofibres. The rigid helical framework in the calcium cholate hydrogel was utilised to synthesize hybrid materials (AuNPs and AgNPs). Doping of transition metal salts into the calcium cholate hydrogel brings out the possibility of synthesising metal sulphide nano-architectures keeping the hydrogel network intact. These novel gel-nanoparticle hybrid materials have encouraging application potentials.

Femtosecond pulse laser-induced self-organized nanostructures on the surface of ZnO crystal

This paper reports self-organized nanostructures observed on the surface of ZnO crystal after irradiation by a focused beam of a femtosecond Ti:sapphire laser with a repetition rate of 250 kHz. For a linearly polarized femtosecond laser, the periodic nanograting structure on the ablation crater surface was promoted. The period of self-organization structures is about 180 nm. The grating orientation is adjusted by the laser polarization direction. A long range Bragg-like grating is formed by moving the sample at a speed of 10 mu m/s. For a circularly polarized laser beam, uniform spherical nanoparticles were formed as a result of Coulomb explosion during the interaction of near-infrared laser with ZnO crystal.

InAs self-assembled nanostructures grown on InP(001)

The 6-period stacked layers of self-assembled InAs quasi-quantum wires(qQWRs) and quantum dots(QDs) embedded into InAlAs on InP(001) substrates have been prepared by solid molecular beam epitaxy. The structures are characterized by atomic force microscopy(AFM) and transmission electron microscopy(TEM). From AFM we have observed for the first time that InAs qQWRs and QDs coexist, and we explained this phenomenon from the view of the energy related to the islands. Cross-sectional TEM shows that InAs qQWRs are vertically aligned every other layer along the growth direction [001], which disagrees with conventional vertical self-alignment of InAs QDs on GaAs substrate.

Lateral intersubband photocurrent study on InAs/InAlas/InP self-assembled nanostructures

We present lateral intersubband photocurrent (PC) study on self-assembled InAs/InAIAs/InP(001) nanostructures in normal incidence. With the help of interband excitation, a broad PC signal has been observed in the photon energy range of 150-630 meV arising from the bound-to-continuum intersubband absorption in the InAs nanostructures. The large linewidth of the intersubband PC signal is due to the size inhomogeneity of the nanostructures. With the increase of the interband excitation the intersubband PC signal firstly increases with a redshift of PC peak and reaches its maximum, then decreases with no peak shift. The increase and redshift of the PC signal at low excitation level can be explained by the state filling effect. However, the decrease of PC signal at high excitation level may be due to the change of the mobility and lifetime of the electrons. The intersubband PC signal decreases when the temperature is increased, which can be explained by the decrease of the mobility and lifetime of the electrons and the thermal escape of electrons.