In diesem, von Prof. (FH) Dr. Bettina Friedel geleiteten FWF Projekt, haben wir uns in der Laufzeit von 01/2015 bis 03/2019 mit einem neuen anorganischen Halbleitermaterial für dem Einsatz in organisch-anorganischen Hybrid-Solarzellen beschäftigt: Siliziumkarbid. Die Frage lag vor allem darin, ob Dotierung und Oberflächeneigenschaften der Siliziumkarbid Nanokristalle so eingestellt werden können, dass sonst für diese Solarzell-Art übliche Verlustmechanismen nicht oder vermindert auftreten.

photophysics

Links: Elektronenmikroskopiebild von SiC:N Nanokristalliten und cross-sectional EELS-Map mit der Materialverteilung innerhalb eines P3HT-SiC:N-Fulleren Dünnfilms. Rechts: Transienten-Photostrom-Charakteristik an P3HT-SiC:N-Fulleren Filmen mit unterschiedlichem Fulleren-Anteil, mit Trapping (oben) und ohne Trapping (unten). 

Projektziel

In der Hybrid-Photovoltaik besteht die photoaktive Donor/Akzeptor Schicht der Zelle aus einem nanokristallinen anorganischen Halbleiter in einer organischen Halbleitermatrix. Organische Halbleiter, bekannt aus OLED-basierten TV-Displays, sind mechanisch flexibel und aus der Lösung verarbeitbar. Klassische anorg. Halbleiter hingegen zeigen besseren Ladungstransport, sind aber bruchempfindlich und teuer. Hybrid-PV nutzt die Vorteile Beider. Nur leider ist die Effizienz solcher Solarzellen oft durch Charge-Trapping-Verluste an den Phasengrenzen limitiert, welche vor allem an Oberflächendefekten der anorg. Kristalle auftreten. Im vorliegenden Projekt, wurden erstmals verschieden dotierte Siliziumkarbid (SiC) Nanokristalle als anorganischer Akzeptor in Hybridsolarzellen untersucht. Dazu wurde verschieden dotiertes nanokristallines SiC chemisch synthetisiert. Das eingebrachte Dotieratom bestimmte hierbei nicht nur die Defect States des Halbleiters, sondern beeinflusste zusätzlich den SiC Polytyp und die Oberflächen-Terminierung (Oxid vs. H/Graphen). Letzteres war entscheidend für das Phasengrenzen-Verhalten. Beim Vergleich von SiC:N, SiC:Al und SiC:Ga auf das photovoltaische Verhalten in Hybrid-Matrizen mit dem Halbleiter-Polymer P3HT, zeigten Graphen-terminierte Spezies effizienteren photo-induzierten Charge-Transfer und reduziertes Trapping. Gründe sind die bessere Kompatibilität des Polymers mit der Kohlenstoff-Oberfläche und die Deaktivierung der SiC Dangling Bonds durch Wasserstoff. Ein ähnlicher Effekt konnte bei Oxid-terminierten SiC Spezies durch die nachträgliche Anlagerung von Fullerenen erreicht werden. Diese Ergebnisse zeigen, dass sich Siliziumkarbid für Hybrid-PV eignet und mit entsprechendem Interface-Engineering die hybrid-typischen Verluste reduziert werden können.

Förderprogramm

FWF Der Wissenschaftsfonds, Fördernummer P26968

Projektpartner

  • Technische Universität Graz, Institut für Festkörperphysik, Ao. Prof. Dr. Robert Schennach

 Publikationen

O. Kettner, S. Šimić, B. Kunert, R. Schennach, R. Resel, T. Grießer, B. Friedel, Characterization of Surface and Structure of In Situ Doped Sol‐Gel‐Derived Silicon Carbide,  Advanced Engineering Materials, 20 (2018) 1701067, DOI: 10.1002/adem.201701067 https://graz.pure.elsevier.com/de/publications/

O. Kettner, A. Pein, G. Trimmel, P. Christian, C. Röthel,  I. Salzmann, R. Resel, G. Lakhwani, F. Lombeck, M. Sommer,B. Friedel, Alternating Side-Chain Geometries for Aggregation Control of Poly(fluorene-alt-bithiophene) and their Effects on Photophysics and Charge Transport, Synthetic Metals, 220 (2016) 162-173,  DOI: 10.1016/j.synthmet.2016.06.010  https://www.tugraz.at/institutes/ictm/research/trimmel-group/publications/

Kontaktpersonen Forschungszentrum Energie

Prof. (FH) Dr.-Ing. Markus Preißinger
illwerke vkw Stiftungsprofessor für Energieeffizienz, Leiter Forschungszentrum Energie

+43 5572 792 3801
markus.preissinger@fhv.at

E1 03

Details

Helena Gössler

DI Helena Gössler
Assistenz

+43 5572 792 3800
helena.goessler@fhv.at
 Raum E1 02

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