TUTCRIS - Tampereen teknillinen yliopisto

TUTCRIS

Photoinduced Charge Transfer Processes at Organic-Semiconductor Interfaces

Tutkimustuotos

Yksityiskohdat

AlkuperäiskieliEnglanti
KustantajaTampere University
Sivumäärä55
ISBN (elektroninen)978-952-03-1102-5
ISBN (painettu)978-952-03-1101-8
TilaJulkaistu - 24 toukokuuta 2019
OKM-julkaisutyyppiG5 Artikkeliväitöskirja

Julkaisusarja

NimiTampere University Dissertations
Vuosikerta67
ISSN (painettu)2489-9860
ISSN (elektroninen)2490-0028

Tiivistelmä

Ihmiskunnan energiankulutus kasvaa jatkuvasti, ja tähän saakka energiaa on tuotettu lähinnä fossiilisilla polttoaineilla. Öljyn, hiilen ja maakaasun poltto on nostanut sekä ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden että maapallon lämpötilan vaarallisen korkeiksi. Siksi tarvitaan hiilineutraaleja energiantuotantomuotoja, kuten aurinkokennoja.

Syvällinen ymmärrys aurinkokennoissa tapahtuvista valoindusoiduista kemiallisista reaktioista on tärkeää suunniteltaessa uusia, tehokkaampia aurinkokennoja. Ultranopea aikaerotteinen absorptiospektroskopia tarjoaa oivan välineen aurinkokennojen reaktiokinetiikan tutkimukseen kennojen hyötysuhteen optimoimiseksi.

Tässä työssä tutkittiin valon aikaansaamia prosesseja orgaanisten yhdisteiden ja puolijohteiden rajapinnoilla. Tällaisia rakenteita voidaan käyttää esimerkiksi väriaineherkistetyissä aurinkokennoissa. Työssä tutkittiin kahta orgaanisen aineen ja puolijohteen hybridirakennetta: fullereeneja kvanttipisteiden pinnalla, ja ftalosyaniineja nanorakenteisen titaanidioksidin ja sinkkioksidin pinnalla. Kaikissa näytteissä havaittiin valon aikaansaamia elektroninsiirtoreaktioita, jotka johtavat sähkövirran syntymiseen aurinkokennonäytteissä. Reaktioiden nopeus vaihteli muutamasta pikosekunnista (ftalosyaniini titaanidioksidin pinnalla) noin 100 ps:iin (fullereenit kvanttipisteiden pinnalla).

Ftalosyaniinijohdannaiset ovat aurinkokennokäyttöön hyvin soveltuvia väriaineita. Niillä on voimakas absorptio esityisesti punaisessa osassa spektriä, ja ne ovat hyvin stabiileja. Haittapuolena on niiden aggregoitumistaipumus. Aggregoituminen pienentää aurinkokennojen hyötysuhteita aggregaattien sisäisten häviöiden takia. Aggregoitumisen vähentämiseen on yleisesti käytössä kaksi menetelmää: seosaineet ja tilaa vievien sivuryhmien substituutio ftalosyaniinirakenteeseen. Kumpikin menetelmä vähensi aggregoitumista ftalosyaniinikerroksissa, mutta substituutiomekanismi oli tehokkaampi, kun tarkastellaan varausten erottumisen elinaikaa.

Rakenteeseen lisättiin aukonkuljetusmateriaalia (spiro-MeOTAD) oikean aurinkokennon toiminnan simuloimiseksi. Aukonkuljetusmateriaalin vaikutusta valoindusoitujen reaktioiden kinetiikkaan tutkittiin. Havaittiin, että varausten erottuminen tapahtuu ensin orgaanisen aineen ja aukonkuljetusmateriaalin rajapinnassa, minkä jälkeen ftalosyaniini luovuttaa elektronin puolijohteeseen.

Aikaerotteisten spektroskopiamittausten tulokset haluttiin myös linkittää todellisiin aurinkokennojen hyötysuhteisiin. Ftalosyaniinien aggregoitumisen ja aurinkokennojen tuottaman valovirran välillä havaittiin selkeä korrelaatio. Vähemmän aggregoituneet näytteet tuottavat suuremman sähkövirran absorboituneiden fotonien lukumäärää kohti. Työn tulokset auttoivat tunnistamaan modernien hybridiaurinkokennojen suunnittelussa esiintyviä pullonkauloja. Tulosten perusteella voidaan esittää keinoja kennojen hyötysuhteiden parantamiseksi.

Tilastokeskuksen tieteenalat

Latausten tilastot

Ei tietoja saatavilla