Farbstoffsensibilisierte Solarzellen auf Edelstahlsubstraten
In dieser Arbeit wurden farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSSCs) auf Metallnetzen (MM) und Metallblechen (MS) als Alternative zum üblichen FTO-Glassubstrat konstruiert. Die Absicht war die Realisierung leichter und kostengünstiger DSSCs mit potentiell breitem Anwendungsspektrum.
Die Konstruktion von MM- und MS-DSSCs verlief erfolgreich. Im Labormaßstab konnte für MM-DSSCs mit 5,4 kg/m2 ein bedeutend geringes Gewicht als von FTO-DSSCs (11,8 kg/m2) oder herkömmlicher Si-Solarzellen im Modularmaßstab (10-13 kg/m2) erzielt werden. Zu den weiteren Hauptmerkmalen von MM-DSSCs zählen die Verschiebung der JU-Kennlinie zu negativeren Spannungen, die Erscheinung einer Hysterese und im Vergleich zu FTO-DSSCs eine Reduktion von Photostrom und Photospannung.
Unter den untersuchten vier Edelstählen (V2A, 316Ti, 904L, Carpenter20) erwies sich ausschließlich 904L-Stahl als ausreichend korrosionsbeständig. Eine Verwendung einfacherer Edelstähle, wie V2A, V4A oder 316L, ist bei einer Optimierung der Vorbehandlungen vorstellbar.
Die Reduktion des Photostroms bei MM-DSSCs konnte hauptsächlich auf die Geometrie von MM-Arbeitselektroden und einem unzureichenden Lichtmanagement zurückgeführt werden. Weiter kann eine erhöhte Rückreaktion an der Grenzfläche von Stahloxidschicht und Elektrolytlösung nicht ausgeschlossen werden. Das Wachstum der Stahloxidschicht wird durch die TiO2-Beschichtungen beeinflusst. Die Wechselwirkungen zwischen Stahloxidschicht und TiO2-Kompaktschicht sind für den späteren Photostrom von Bedeutung. Mit einer Optimierung an dieser Stelle sind konkurrenzfähige MM-/MS-DSSCs zu FTO-DSSCs vorstellbar.
Der Grund für die Reduktion der Photospannung und die Verschiebung der JU-Kennlinie zu negativeren Spannungen wird in kleineren energetischen Barrieren zwischen Stahl und Oxidschicht sowie Oxidschicht und TiO2 vermutet.
Die Hysterese wird je nach angelegter Spannung von unterschiedlichen Ursachen ausgelöst. Bei kleinen Spannungen wird ein hauptsächlicher Zusammenhang mit Kapazitäten an den Grenzflächen zwischen Arbeitselektrode und Elektrolyt vermutet. Diese werden sehr wahrscheinlich maßgeblich vom unterliegenden Substrat beeinflusst, sodass bei MM- und MS-DSSCs starke elektrolytische Doppelschichten erwartet werden. In Gegenrichtung konnte bei kleinen Spannungen ein rein kapazitives Element herausgearbeitet werden, das in Arbeitsrichtung mit faradayschen Anteilen überlagert ist. Für den faradayschen Anteil wird ein hauptsächlicher Zusammenhang mit dem Auffüllen von Fallenzuständen im TiO2 vermutet, darüber hinaus ein geringerer Beitrag durch das Durchlaufen der Korrosionspotentiale. Bei höheren Spannungen in Arbeitsrichtung verursachen sehr wahrscheinlich Wechselwirkungen zwischen Stahl und Elektrolyt eine faradaysche Hysterese, die durch eine thermische Vorbehandlung verschwinden kann. In Gegenrichtung wird eine faradaysche Hysterese mit Lokalisierung am Kontakt von MM-Gegenelektrode und Elektrolyt vermutet. Möglich sind zudem Adsorptionen an der Arbeitselektrode.
Zuletzt wurden anhand der Resultate ein MM-DSSC-Modell und ein Ersatzschaltbild für DSSCs entworfen. Dieses beschreibt mit zwei Dioden die S-Kurve, die bei allen Kennlinien von DSSCs auftritt.
Insgesamt hat sich das Substrat als von größerer Bedeutung für die elektronischen Eigenschaften von DSSCs herausgestellt, als der Literatur zu entnehmen ist. Die mit Edelstahl einhergehende Oxidschicht wird aufgrund des Kalzinierungsprozesses stark verändert und erreicht wahrscheinlich eine Dicke von etwa 50 nm. Diese ermöglicht dennoch den Elektronentransport und erlaubt die Herstellung effizienter Solarzellen.
In this work dye-sensitized solar cells (DSSCs) were fabricated on metal mesh (MM) and metal sheet (MS) substrates instead of the commonly used FTO glass. The intention was to realize lightweight and low-cost DSSCs that allow broadened application fields.
The fabrication of MM- and MS-DSSCs was successful. The MM-DSSCs have about 5.4 kg/m2 which is low in comparison to FTO-DSSCs with 11.8 kg/m2 and common Si-solar cell modules with 10‑13 kg/m2. In addition to the low weight, MM-DSSCs show a JU-shift to negative voltages, some hysteresis and a reduction in photocurrent and photovoltage compared to FTO-DSSCs.
For the DSSC substrate, four stainless steels (V2A, 316Ti, 904L, Carpenter20) were tested. Thereof only 904L-steel was sufficiently corrosion-resistant. Nevertheless, the utilization of more ordinary steels like V2A, V4A or 316L as DSSC-substrate is imaginable by pre-treatment optimization.
The photocurrent reduction of MM-DSSCs results from geometric aspects of the MM-working electrode and insufficient light management. Furthermore, an increase in back reactions at the stainless steel oxide layer-electrolyte contact cannot be excluded. The stainless steel oxide layer growth is influenced by the TiO2 coatings. Especially, the interplay of stainless steel oxide layer and TiO2 compact layer during stainless steel oxide layer growth influences the photocurrent. By optimization of that contact, competitive MM- and MS-DSSCs are imaginable.
The reason for photocurrent reduction and JU-shifting to more negative voltages are supposed to be small energetic barriers between stainless steel and its oxide layer as well as between stainless steel oxide layer and TiO2.
The hysteresis originates from different sources and depends on the applied voltage. At small voltages, the main cause is supposed in capacities at the working electrode-electrolyte interface that is influenced by the underlying substrate. In MM- and MS-DSSCs strong electrolytic double layers are expected. In reverse direction at small voltages, a purely capacitive behavior was extracted. In working direction, it is superimposed with faradaic contributions. Faradaic contributions mainly are associated with TiO2 trap state filling and less with passing the corrosion potentials during measurements. At higher voltages and in working direction, the faradaic hysteresis is highly probable connected to the interplay of stainless steel and electrolyte. It can be removed by thermal pre-treatment. In reverse direction, the faradaic hysteresis is localized at the MM-counter electrode-electrolyte contact. In addition, adsorptions at the working electrode are possible.
Finally, an MM-DSSC model and a DSSC-equivalent circuit were developed. In the latter two diodes were implemented to describe the S-shape of JU-curves which appeared in all DSSC-measurements.