Monolithische Metalloxid-Aerogele besitzen eine Vielzahl an Vorteilen gegenüber den pulverförmigen Materialien wie Xerogele oder einzelnen Kristalliten. Einerseits lassen sie sich einfacher Handhaben als die pulverförmigen Materialien, besitzen dabei aber die gleiche oder sogar eine höhere Oberfläche und Porosität. Andererseits ist auch die elektrische Leitfähigkeit höher, da ein zusammenhängender Pfad für die Ladungsträger durch das Material besteht. Es bietet sich daher eine Verwendung der ZnO-Aerogele als hochporöse Elektrodenmaterialien an, die im folgenden Kapitel untersucht und beschrieben werden soll.
Im Gegensatz zu metallischen Materialien wie Au oder Ag, die ihre Transparenz bereits bei geringen Schichtdicken verlieren, gelingt es mit Metalloxidhalbleitern transparente Filme mit Schichtdicken > 500 nm zu synthetisieren. Eine wichtige Voraussetzung dafür ist die Homogenität des Films, um die Bildung von Streuzentren zu vermeiden. Diese Bildung von Streuzentren ist der schichtdickenlimitierende Faktor bei der Herstellung poröser transparenter Halbleiterfilme. Unporöse, homogene ZnO-Filme werden etwa als Schutzschichten unter einer porösen Halbleiterschicht verwendet, um Kontakt des Reaktionsmediums, des Elektrolyten oder der Gegenelektrode mit dem unter der halbleitenden Schicht liegenden Elektrodenmaterial (ITO, Au, Cu) zu vermeiden.
In diesem Kapitel wird die Herstellung und Eignung verschiedener ZnO-Schichten berichtet und deren Eigenschaften untersucht, beginnend mit der Synthese der ZnO-Schutzschicht bis zu den porösen Aerogelfilmen.
4.2.1 Herstellung einer hochporösen ZnO-Aerogel Elektrode
Mit der Aufklärung des Mechanismus der Gelbildung, ausgehend von den Heterokubanen als metallorganische Vorläufermoleküle des ZnO in organischen Lösungsmitteln, ist es nicht nur möglich die monolithischen ZnO-Aerogele zu erhalten, sondern auch dünne und transparente Aerogelfilme. Um dies zu realisieren ist es wichtig, dass die Bildung des Sols und die Gelbildung, wie in Abbildung 46 gezeigt, in zeitlich voneinander getrennten Schritten erfolgt.
Es existiert dadurch ein zeitlich begrenztes Fenster, in dem es mithilfe von dip-coating gelingt, einen dünnen, homogenen Film auf dem zuvor gründlich gereinigten Substrat abzuscheiden.
Die so hergestellten Filme können durch einfaches Verdampfen des Lösungsmittels bei Raumtemperatur getrocknet werden. Es kann so auf die aufwendigen und kostenintensiven Trocknungsmethoden wie die Trocknung mittels scCO2 verzichtet werden. Dieses Verhalten ist bemerkenswert, da von monolithischen Gelen bekannt ist, dass sie dazu tendieren aufgrund der bei der konventionellen Trocknung wirkenden Kräfte zu kollabieren, wie in Kapitel 2.1.1.4 erläutert. Wie in Kapitel 4.1 beschrieben, zeigen jedoch bereits die ZnO-Aerogele eine erhöhte Stabilität. Dadurch kommt es nicht zum Kollabieren der Struktur, sondern zu einem Schrumpfen, was auf die besondere Flexibilität des Gelnetzwerks zurückzuführen ist. Wie in Abbildung 46 gezeigt, weisen die ZnO Aerogelfilme bei der Untersuchung mittels SEM nach Trocknung und anschließender Temperaturbehandlung bei 100oC die gewünschte filigrane und hochporöse Aerogelstruktur auf.
Es ist also möglich ohne einen zusätzlichen Schritt nach der Abscheidung des Gel-Films die Aerogelstruktur zu erhalten. So gelingt es auch sehr große Flächen gleichmäßig mit dem hochporösen Aerogelfilm zu beschichten (siehe Abbildung 56 (a)). In Abbildung 57 ist dargestellt, dass sich diese Methode darüber hinaus nicht nur zur Beschichtung von Glassubstraten eignet, sondern sich auch eine Vielzahl anderer Materialien beschichten lassen, wie Metallfolien, Glassubstrate oder auch flexible Substrate wie Polyvinylchlorid-Folien.
Die ZnO Filme sind, wie durch UV-Vis Spektren bewiesen und in Abbildung 58 (a) zu erkennen, über den gesamten Vis-Bereich hinweg transparent. Im UV-Bereich (λ = 360 nm) kann die, aufgrund der Bandlücke für ZnO typische, Adsorptionsbande beobachtet werden. In der photographischen Aufnahme, welche in Abbildung 58 (b) abgebildet ist, kann kein Unterschied zwischen dem beschichteten und dem nicht beschichteten Teil des Substrats
erkannt werden.
Nur wenn das Substrat wie in Abbildung 57 (a) gezeigt, unter einem bestimmten Winkel betrachtet wird, wird der ZnO-Aerogelfilm aufgrund von Streuung und Reflexion teilweise sichtbar. Diese Transparenz lässt bereits auf die Homogenität, chemische Reinheit und Qualität der Filme schließen.
Abbildung 56: Elektronenmikroskopische Aufnahmen der ZnO Aerogelfilme mit verschiedenen Vergrößerungen. SEM: (a) Großflächige Bedeckung des Substrates mit einem ZnO-Aerogelfilm (b) Vergrößerte Aufnahme zeigt filigrane Struktur des Aerogelfilms (c) Porosität und Vernetzung in hoher Auflösung sichtbar. TEM: (d) TEM-Aufnahme des von der Oberfläche gekratzten ZnO-Aerogelfilms zeigt zusammenhängende Kristallite.
Mithilfe der EDX-Spektren in Abbildung 59 kann gezeigt werden, dass sich nach der Synthese und anschließender Temperaturbehandlung keinerlei organische Reste wie etwa Kohlenstoff in dem synthetisierten Filmen vorhanden sind. Alle Signale können dem ZnO-Aerogel sowie dem verwendeten Glassubstrat zugeordnet werden.
Die Struktur der Aerogele besitzt die typische breite Porenverteilung der monolithischen Aerogelmaterialien, wie in 2.1.1.4 beschrieben, beginnend mit gut zugänglichen Makroporen, wobei ein Großteil der Poren einen Durchmesser weit unter 100 nm besitzen. Um die Oberfläche der monolithischen Aerogele mit denen der dünnen Aerogelfilme zu vergleichen, wurden größere Mengen des Aerogelfilms mithilfe eines Skalpells von dem Substrat gekratzt.
Abbildung 57: Beschichtung verschiedener Substrate mit einem 200nm dicken ZnO-Aerogelfilm. (links) SEM-Aufnahmen der beschichteten Substrate (rechts) Photographische Aufnahmen. (a) Deckplättchen (Glas), (b) Titan-Folie, (c) Flexible PVC-Folie. Im Fall der flexiblen PVC-Folie zeigt die SEM-Aufnahme den dünnen Film vor der Infiltration von Polymer (P3HT) und zur besseren Sichtbarkeit aufgrund des farbigen Polymers die photographische Aufnahme den Film nach der Polymer-Infiltration.
Abbildung 58: (a) UV-Vis Spektrum des 200nm Aerogelfilms auf Glassubstrat. (b) Photographische Aufnahme des Aerogelfilms. Zur besseren Sichtbarkeit wurde der Rand eingefärbt und die Grenze des Aerogelfilms markiert.
Während die Oberfläche der monolithische Aerogelfilme im Bereich von 130-150 m2/g liegt, können für die Aerogelfilme Oberflächen größer 80 m2/g gemessen werden, wie in Abbildung 60 (b) gezeigt. Bezüglich der Verwendung als Elektrodenmaterial spielen andere Eigenschaften als die Porosität der Filme eine übergeordnete Rolle.
Dabei handelt es sich um die Filmdicke, die Kristallinität und die generelle elektrische Leitfähigkeit. Vor allem bezüglich der Transporteffizienz der freien Ladungsträger innerhalb des Materials spielt die Kristallinität eine wichtige Rolle. Geringe Kristallinität, Verunreinigungen sowie eine große Zahl an Defekten oder amorphen Bereichen führen zu einem „trapping“ der Ladungen oder zur ungewünschten Rekombination der Ladungsträger.
Um die Kristallinität der Materialien zu bestimmen, wurden die Aerogelfilme mithilfe von PXRD in einer speziellen Geometrie untersucht.
Abbildung 59: EDX eines temperaturbehandelten ZnO-Aerogelfilms auf einem Glassubstrat.
Signale können dem ZnO sowie dem Glassubstrat zugeordnet werden.
Bei dieser Technik, auch „streifender Einfall“ (grazing incidence) genannt, wird die Strahlungsquelle in einem sehr kleinen Winkel fast parallel zur Probenfläche ausgerichtet.
Dadurch fallen ein Großteil der Strahlungsintensität auf die Probe und nur ein geringer Teil auf das darunterliegende Substrat. In Abbildung 60 ist dargestellt, wie sich die Kristallinität durch Temperaturbehandlung erhöhen lässt. Nachdem die Probe für mehrere Stunden bei 100oC temperiert wurde, sind nur schwache Reflexe in den Diffraktogrammen zu beobachten. Erst bei einer Erhöhung der Temperatur auf 200oC werden die ersten ZnO-Reflexe sichtbar.
Die Position und relative Intensität der Reflexe können anhand der Referenz abgelesen und überprüft werden. Nach 300oC können die ersten ZnO-Reflexe klar identifiziert werden, nach
400oC hat sich die Intensität der Reflexe und damit die Kristallinität des Materials signifikant erhöht. Da sich die Kristallinität durch diese Temperaturbehandlung erhöhen lässt, ist es besonders wichtig zu beweisen, dass es dabei zu keinem Kollabieren des Aerogelnetzwerks kommt.
Abbildung 60: Einfluss der Temperaturbehandlung auf ZnO Aerogelfilme (a) GI-PXRD Daten für verschiedene Sintertemperaturen: 100oC (schwarz), 200oC (rot), 300oC (blau), 400oC (grün). Schwarze Balken sind die bulk-ZnO Reflexe einer Referenzprobe. (b) N2-Isothermen der Filme vor (schwarz) und nach der Temperaturbehandlung T = 400oC (grau). SEM-Aufnahmen der Aerogelfilmen vor (c) und nach (d) T = 400oC.
Die N2-Isotherme der Aerogelfilme vor und nach der Temperaturbehandlung bei 400oC für mehrere Stunden zeigt einen Verlust der BET-Oberfläche von 82.7 m2/g auf 46.6 m2/g wie in Abbildung 60 dargestellt. Dies kann mit der erhöhten Dichte der gesinterten Aerogele erklärt werden. Diese entsteht durch die Kristallisation von amorphen Domänen, verbunden mit einem Wachstum der Kristallite von 4.7 nm auf 7.4 nm, wie durch die Berechnung aus der Halbwertsbreite der ZnO Reflexe ermittelt wurde. Aufgrund dieser Änderungen durch die Temperaturbehandlung ist es bemerkenswert, dass keine Änderung an der verzweigten Aerogelstruktur beobachtet werden kann. Weder ein sichtbares Schrumpfen des Films noch
eine kollabierte Struktur ist zu erkennen. Dies ist anhand der SEM Aufnahmen in Abbildung 60 (c) und (d) eines 200 nm dicken Aerogelfilms vor und nach Sintern bei 400oC gezeigt. Die HR-TEM-Aufnahme des Aerogelfilms nach der Temperaturbehandlung bei 400oC in Abbildung 61 zeigt gut miteinander verbundene, hochkristalline Nanopartikel. Diese Eigenschaften sind die Grundlage für einen effizienten Ladungstransport durch das Material.
Abbildung 61: HR-TEM Aufnahme des hochkristallinen ZnO-Aerogelfilms nach Temperaturbehandlung bei 400oC. Die sichtbaren Netzebenen gehören zu der (100) Netzebene des ZnO (d = 0.28 nm).
Neben der Kristallinität ist auch die Schichtdicke der ZnO-Aerogelfilme ein wichtiger Parameter der Materialien, da von dieser sowohl optische als auch elektronische Eigenschaften beeinflusst werden. Ein verlässliches Verfahren, mit dem es gelingt die Schichtdicke der Aerogelfilme einzustellen, ist daher eine wichtige Voraussetzung für die Verwendung der Aerogelfilme als Elektrodenmaterialien.
Es wurde untersucht, wie die Parameter des dip-coatings, insbesondere die Herauszieh-Geschwindigkeit (ν) des Substrates aus der Lösung, die Schichtdicke (h) des Aerogels beeinflusst. Ähnlich wie die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der Sputter-Zeit und der Filmdicke beim HF-Magnetron-Sputtern in Abbildung 66 wird dazu in einem Plot die Schichtdicke h als Funktion von ν aufgetragen. Die Filmdicke wurde durch eine Kombination aus SEM-Aufnahmen und AFM Höhenprofilmessungen an einer mithilfe eines Skalpells in den Film eingebrachten Kante ausgemessen. Sowohl die exemplarische SEM-Aufnahme an einem 200 nm dicken Aerogelfilm als auch die AFM-Messung an demselben Film sind in Abbildung
62 abgebildet.
Nach Auftragung der ermittelten Daten wurde überprüft, ob sich das untersuchte Sol-Gel System wie von Landau-Levich beschrieben (siehe Kapitel 2.1.4.3) verhält.
Abbildung 62: In einen ZnO-Aerogelfilm wurde mithilfe eines Skalpells eine Kante eingebracht. (a) SEM-Aufnahme des ZnO-Aerogelfilms, (b) 3D-Abbildung und (c) Höhenprofil über die Schnittkante hinweg mithilfe eines AFM zur Bestimmung der Schichtdicke. (d) Experimentell bestimmte Daten der Schichtdicke in Abhängigkeit von ν (schwarze Datenpunkte) und nach der Landau-Levich-Gleichung berechnete Abhängigkeit (grau Linie).
Tatsächlich findet sich nach Auftragung der Filmdicke gegen die dritte Wurzel von ν2 ein exzellenter Zusammenhang zwischen den theoretischen und den experimentell ermittelten Werten, wie in Abbildung 62 gezeigt. Es ist somit möglich, die benötigte Schichtdicke durch eine einfache Variation von ν exakt einzustellen.
Diese Untersuchung konnte nur in einem limitierten Bereich durchgeführt werden, bedingt durch die eingeschränkte Geschwindigkeitsauswahl des Dip-Coaters. Die dünnsten hergestellten Aerogelfilme besitzen somit eine Schichtdicke von 200 nm. Eine untere Grenze stellt sicherlich die Partikelgröße im Sol dar, dass in einer Monolage etwa 40 nm dicke Filme
ergeben würde. Nach oben zu größeren Schichtdicken ist keine Grenze gesetzt, bis hin zu den bereits gezeigten monolithischen Körpern.
In Abbildung 63 ist eine SEM-Aufnahme eines sehr dicken Aerogelfilms (>1 µm) gezeigt, der durch ein einfaches drop-coating der Reaktionslösung auf ein zuvor gereinigtes Glassubstrat hergestellt wurde.
Abbildung 63: SEM-Aufnahme eines >1 µm dicken ZnO-Aerogelfilms, hergestellt durch drop-coating aus dem Sol.
4.2.1 Herstellung einer ZnO Schutzschicht durch Sol-Gel-Verfahren aus wässriger Lösung
Eine der einfachsten und häufigsten verwendeten Methoden zur Herstellung dünner Schichten aus ZnO ist die Herstellung Sol-Gel-Synthese unter Zusatz eines Stabilisierungsagenz, um das Sol zu stabilisieren.672 Vorläufermoleküle sind meist Zink-Salze. Die Einstellung der Schichtdicke erfolgt über die Wahl der Drehgeschwindigkeit beim spin-coaten sowie der Konzentration der Lösung.
Zur Herstellung eines ZnO-Films nach dieser Methode wurde zunächst eine 0.45 mol/l Lösung Zn(OAc)2 und Monoethanolamin (MEA) in 2-Methoxyethanol hergestellt. Die Lösung wurde nach etwa 14 h mittels spin-coating bei 20 rpm unter Luftausschluss auf das zuvor gründlich gereinigte Substrat aufgetragen. Nach einer Verweildauer an Luft für etwa 5h wurde das beschichtetet Substrat für weitere 4 h bei 400oC gesintert. Die Feinstruktur sowie die
Schichtdicke der resultierenden transparenten ZnO-Filme wurden durch Kombination der Methoden SEM, AFM und EDX untersucht.
Durch die gewählten Bedingungen gelang es einen 40 nm dicken ZnO-Film homogen auf dem Substrat abzuscheiden, wie in Abbildung 64 gezeigt. Die Filmdicke wurde nach einem Schnitt durch den ZnO-Film mit einem Skalpell an der entstandenen Kante mithilfe der AFM bestimmt.
Die homogene Verteilung des Zn konnte mithilfe des Element-Mapping im EDX gezeigt werden. Den Zink-Signalen wurde dazu die Farbe Grün zugewiesen.
Abbildung 64: Charakterisierung der dünnen ZnO-Filme hergestellt aus Zn(OAc)2 nach dem klassischen Sol-Gel Prozess. (a) Schichtdicke des ZnO Films ~40 nm bestimmt durch AFM-Messung an einem Schnitt durch den Film. (b) SEM-Aufnahme des ZnO-Films. (c) Chemikalien die zur Synthese des Films verwendet wurden (d) EDX-Mapping zeigt homogene Verteilung von ZnO über den gesamten Film (Zn = grün).
Sowohl an der Rauigkeit in den AFM-Aufnahmen als auch in der SEM-Aufnahme bei sehr großer Vergrößerung ist zu erkennen, dass die ZnO-Schicht nicht glatt sondern porös ist. Die Domänengröße entspricht etwa 10-20 nm. Da für die ZnO-Schutzschicht eine möglichst glatte und unporöse Schicht benötigt wird, ist die Eignung dieses Films bezüglich eines Einsatzes in Elektrodenmaterialien fraglich. Es handelt sich hierbei jedoch um ein in der Literatur übliches
Verfahren. Aus diesem Grund wird die Eignung des Films in einer ZnO-Elektrode dennoch untersucht und evaluiert.
4.2.2 Herstellung einer ZnO Schutzschicht mithilfe von PVD-Methoden Eine der in Kapitel 2.1.4.3 beschriebenen PVD-Methode zur Herstellung dünner Metalloxid-Schichten ist das HF-Magnetron-Sputtern.673 Im Gegensatz zur Herstellung dünner Filme mithilfe des Sol-Gel-Prozesses, bei welchem die Rauigkeit und die Domänengröße durch die Partikelgröße des Sols vorgegeben ist, scheiden sich einzelne Atome und Atomcluster während des Sputterns auf der Substratoberfläche ab. Es können auf diese Weise sehr glatte und homogene Filme erhalten werden.
Die verwendeten Filme wurden reaktiv gesputtert. Das Metalloxid bildet sich also ausgehend vom Metall unter Zusatz von Sauerstoff. Verwendet wurde dazu ein UHV-Sputter System der Marke AJA Orion. Um die gewünschte Schichtdicke zu erhalten, musste zuerst ermittelt werden, welche Prozessparameter zu welchen Schichtdicken führen. Ausgehend von Vorkenntnissen betreffend der Prozessparameter wurde ein Zink-Target verwendet und der System-Druck auf 10-7 Torr eingestellt. Der Argon Strom wurde auf 80 sccm reguliert, Sauerstoff auf 10 sccm bei einem Druck von 2.5 mTorr. Die Sputterleistung wurde auf 300 W reguliert. Über Variation der Prozessdauer konnte die Schichtdicke der Filme eingestellt werden. Dazu wurden zuvor gereinigte Glasträger als Substrate verwendet, auf welche mit einem Filzschreiber eine dünne Linie aufgetragen wurde. Nach dem Abscheidungsprozess wurde durch kurzes Eintauchen in eine Aceton-Lösung die Farbe sowie das darüber liegende Material entfernt. Mithilfe der AFM konnte daraufhin die Schichtdicke an dieser künstlich geschaffenen Kante bestimmt werden.
Unterschiedliche Farbeindrücke der Filme, ausgelöst durch Interferenz aufgrund von Reflexion an Ober- bzw. Unterseite des Films, sind ein erstes Indiz für unterschiedliche Schichtdicken.
Die Untersuchungen der Filme mithilfe der AFM sind in Abbildung 65 für die Prozessdauer von 100 s bis 300 s abgebildet. Für 600 s wurde aufgrund der großen Schichtdicken ein Profilometer zur Schichtdickenbestimmung verwendet (Abbildung 66). Mit einer sehr kurzen Zeit der Abscheidung von 100 s werden laut dem AFM-Höhenprofil in Abbildung 65 (a) etwa 20 nm dicke Filme erhalten. Obwohl die Schichtdicke nur etwa die Hälfte der Schichtdicke der durch den Sol-Gel-Prozess hergestellten Filme beträgt, sind die Filme sehr homogen und dicht, wie in den AFM-Aufnahmen zu erkennen ist. Die Rauigkeit der Oberfläche beträgt lediglich etwa 5 nm. Es ist zu erwarten, dass diese geringe Rauigkeit und Kompaktheit des Films auch bei größeren Schichtdicken zu finden ist. In Abbildung 65 (b) und (c) sind die Schichten für
eine längere Abscheidungszeit von 150 s bzw. 300 s gezeigt. Die Filmdicken betragen 36 nm respektive 97 nm und zeigen ebenfalls eine hohe Kompaktheit und nur eine sehr geringe Oberflächenrauigkeit.
Abbildung 65: Schichtdickenbestimmung mittels AFM (linke Seite) und AFM Aufnahmen der durch Magnetron Sputtern hergestellten ZnO Schutzschichten (rechte Seite). Verschiedene Sputterzeiten und Schichtdicken (a) 100 s / 18.9 nm, (b) 150 s / 36.4 nm und (c) 300 s / 96.9 nm.
Wie in Abbildung 66 (b) gezeigt, besteht ein linearer Zusammenhang zwischen den Schichtdicken der ZnO-Filme und der Dauer der Abscheidung. Es fällt auf, dass die Gerade
nicht, wie es zu erwarten wäre, durch den Ursprung verläuft, was an einer konstanten, prozessbedingten Zeitspanne liegt. Mithilfe dieser Untersuchung ist es nun möglich, die benötigte Prozessdauer für die gewünschte Schichtdicke aus der Graphik genau auszulesen.
Abbildung 66: Höhenprofilanalyse mit Profilometer der mit Magnetron Sputtern hergestellten ZnO Schutzschichten. 600 s / 201.6 nm. (b) Auftragung der Sputterzeit gegen die Dicke des ZnO Films.
Die Eignung der durch HF-Magnetron-Sputtern hergestellten ZnO-Filme wird zu einem späteren Zeitpunkt, anhand einer Untersuchung der Elektrodenmaterialien, den durch Sol-Gel-Prozess hergestellten Filmen gegenübergestellt.
4.2.3 Herstellung und Test von Hybrid BHJ-Solarzellen
4.2.3.1 Setup zur Bestimmung der elektronischen Charakteristika von Solarzellen Eine der wichtigsten Technologien, die im zentralen Interesse der aktuellen Forschung steht, ist die Photovoltaik. Viele verschiedene Konzepte zur Generierung von elektrischem Strom aus elektromagnetischer Strahlung nutzen dabei Hybridmaterialien. Ein in dieser Arbeit untersuchtes System ist die BHJ-Solarzelle, ein Hybridmaterial aus einem anorganischen Halbleiter und einem leitfähigen Polymer.
Um die Effizienzen und elektronischen Charakteristika dieser Solarzellen unter Laborbedingungen zu testen, benötigt es ein Setup welches in der Lage ist, das natürliche Sonnenlicht zu simulieren, sowie eine Möglichkeit die generierte Spannung und den Strom zu messen. In Abbildung 67 (a) ist das im Zuge der Dissertation etablierte Setup abgebildet. Bei dem Solarsimulator handelt es sich um das Modell LS0106 der Firma LOT-Oriel. Das abgegebene Lichtspektrum entspricht den ASTM-Standards und ist durch die Verwendung eines AM1.5G-Filters mit Literaturwerten vergleichbar. Dieser Filtertyp entspricht einem
Winkel des Sonnenstands relativ zum Zenit von 48.2o. Unterschiede ergeben sich durch den unterschiedlich langen Weg durch die Atmosphäre.
Abbildung 67: (a) Aufbau des Setups zur Charakterisierung der Solarzellen. Von links nach rechts: Solarsimulator, Probenhalter, Sourcemeter und Computer mit Software (LabTracer). (b) Strom-Spannungs-Kurve einer BHJ-Solarzelle in invertierten Aufbau mit P3HT und ZnO Aerogel (200 nm) aufgenommen mit oben gezeigtem Setup. (c) Nahaufnahme der Probenkammer unter Beleuchtung während der Messung.
Das Licht wird durch eine 150 W Xe-Bogenlampe erzeugt, die Ausgangsleistung entspricht dabei einer Solarkonstante pro Minute. Der kollimierte Ausgangsstrahl belichtet eine etwa 25 mm2 große Fläche. Um zu gewährleisten, dass zwischen Lichtquelle und der Solarzelle ein fester Abstand eingestellt werden kann, wurde ein Modell für einen Probenhalter entwickelt und von der wissenschaftlichen Werkstatt der Universität Konstanz gefertigt. Eine
Nahaufnahme des Probenhalters ist in Abbildung 67 (c) abgebildet. Die Solarzelle kann eingelegt werden und wird über einen Schiebemechanismus von den versenkbaren Elektroden fixiert. Diese sind so angebracht, dass sie mit geringem Druck sowohl die Elektroden der Zelle als auch die Gegenelektrode kontaktieren. Eine Messung der Spannung und des Stroms erfolgt über die Anschlüsse an der Seite des Probenhalters. Angeschlossen ist ein Sourcemeter der Marke Keithley (Modell 2401) welches zur Erzeugung der Spannung und Messen des Stroms verwendet wird. Die Steuerung und die Aufnahme der Daten erfolgt über einen angeschlossenen Computer unter Verwendung des Programms „LabTracer“. In Abbildung 67 (b) ist eine Strom-Spannungskurve einer BHJ-Solarzelle gezeigt, die mit diesem Messaufbau aufgenommen wurde. Sie folgt dem im Grundlagenteil erläuterten Verlauf einer Diode und zeigt, dass mithilfe dieses Setups die elektronischen Eigenschaften einer Solarzelle ausgelesen und bestimmt werden können.
4.2.3.2 Herstellung der BHJ-Solarzelle unter Verwendung der ZnO-Filme als Elektrodenmaterialien
Wie in Kapitel 2.1.2 ausführlich beschrieben, resultiert die Kombination aus einem p-dotierten und einem n-dotierten Halbleiter in der Bildung einer Raumladungszone und der Erzeugung eines elektrischen Feldes, durch welches angeregte gebundene Zustände (Exzitonen) voneinander getrennt werden können und zu den jeweiligen Elektroden gelangen. Es ist also direkt ersichtlich, dass sich die Effizienz einer Solarzelle durch eine Steigerung der effektiven Oberfläche zwischen den beiden Phasen steigern lässt. Diese Oberflächenvergrößerung erfordert daher eine Strukturierung auf der Nanometerskala. Eine Vielzahl der Publikationen,
Wie in Kapitel 2.1.2 ausführlich beschrieben, resultiert die Kombination aus einem p-dotierten und einem n-dotierten Halbleiter in der Bildung einer Raumladungszone und der Erzeugung eines elektrischen Feldes, durch welches angeregte gebundene Zustände (Exzitonen) voneinander getrennt werden können und zu den jeweiligen Elektroden gelangen. Es ist also direkt ersichtlich, dass sich die Effizienz einer Solarzelle durch eine Steigerung der effektiven Oberfläche zwischen den beiden Phasen steigern lässt. Diese Oberflächenvergrößerung erfordert daher eine Strukturierung auf der Nanometerskala. Eine Vielzahl der Publikationen,