Die im vorangegangenen Kapitel beschriebenen BHJ-Solarzellen auf Basis der ZnO-Aerogele sind ein gutes Beispiel dafür, wie mithilfe materialwissenschaftlicher Methoden die Funktionalität von Materialien so gesteigert werden können, dass sie sich für moderne technologische Anwendungen eignen. So wurde in einer alternativen Betrachtungsweise gemäß des Schemas in Abbildung 2 sowohl dünne Filme synthetisiert, die Oberfläche mithilfe eines organischen Farbstoffs sensitiviert und eine organische Komponente in Form des leitfähigen Polymers P3HT in das anorganische Netzwerk infiltriert. Die Funktionalisierung der Oberfläche durch den molekularen Farbstoff lässt sich aufgrund der starken Wechselwirkung als Klasse II Hybridmaterial klassifizieren, die Funktionalisieren mithilfe des Polymers als Klasse I Hybridmaterial, da hierbei nur schwache Wechselwirkungen zwischen der anorganischen und der organischen Phase bestehen.
Beide Klassen Hybridmaterialien, sowohl die Funktionalisierung mit molekularen als auch makromolekularen Komponenten, werden in diesem Kapitel eingehend untersucht und bezüglich einer relevanten Anwendung geprüft.
4.3.1 Klasse I Hybridmaterialien: Herstellung der aktiven Schicht von BHJ-Solarzellen in einem einzigen Prozessschritt aus einer gemeinsamen Lösung
In einem exzellenten Review über anorganisch-organische Hybrid-Solarzellen propagieren Moulé et al. die energische Verfolgung neuer Konzepte und Techniken.467 Als Beispiel einer besonders aussichtsreichen Technik beschreibt er die Herstellung der aktiven Schicht einer Halbleiter-Polymer Solarzelle aus einer gemeinsamen Lösung von P3HT und einer CdS Vorstufe.687 Bei der Vorstufe handelte es sich um Cd(S2COEt)2, welches unter milden Temperaturen (50oC-150oC) in CdS umgewandelt wird. Die dabei entstehenden Nebenprodukten (COS, C2H4 und H2S) sind gasförmig und können somit während der Synthese rückstandsfrei entweichen. Die CdS Nanopartikel bilden nach spin-coaten durch Perkolation ein Netzwerk innerhalb des organischen Halbleiters P3HT, was zu einer Effizienz der Zellen von ηeff = 0.7 % führt. Mit einem ähnlichen Konzept gelang es Janssen et al.475, 481-483, 688
Hybridsolarzellen ausgehend von ZnEt2 und P3HT mit THF als Lösungsmittel herzustellen, deren Effizienz die der nanokristallinen P3HT:ZnO Solarzellen übertrifft. Nachteil dieses ZnO-Vorläufers ist allerdings seine hohe Reaktivität. So wurde berichtet, dass es bei der Verwendung zu einer Degradation des konjugierten Polymers kommt.481 Außerdem ist es aufgrund der hohen Reaktivität schwierig, die Morphologie und Phasenseparation zu steuern. Von einer Verwendung dieser Technik für Solarzellen in invertierter Architektur wurde bisher nicht berichtet.
Wie bereits in Kapitel 2.1.3.2 beschrieben, stellen Heterokubane der Form [CH3ZnOR‘]4 als ZnO-Vorläufermolekülen gute Alternativen zu hochreaktiven Verbindungen wie ZnEt2 dar.
Über die Wahl der Reste R und R‘ lassen sich viele der Eigenschaften der Vorläufermoleküle steuern. Darunter die Löslichkeit und Mischbarkeit mit einer weiteren Phase (Polymer), die Flüchtigkeit der Nebenprodukte, die Reaktivität sowie der Grad der Vernetzung. Diese Eigenschaften der verwendeten ZnO-Vorläufermoleküle in Kombination mit der Erfahrung die bei der Herstellung der ZnO-Aerogel BHJ-Solarzellen gesammelt wurden, sind eine gute Basis für die Weiterentwicklung des innovativen Konzepts der Herstellung einer aktiven Schicht für anorganisch/organische BHJ-Solarzellen in einem einzigen Schritt.
4.3.1.1 Bildung des ZnO-Aerogel und Polymer-Netzwerk
Bei den im bisherigen Verlauf dieser Arbeit vorgestellten Sol-Gel Synthesen, die zu ZnO-Aerogelmaterialien führten, bestand die Reaktionslösung immer aus drei Komponenten: dem ZnO-Vorläufermolekül, Wasser sowie dem Lösungsmittel (Diglyme). Zur Realisierung der Herstellung einer anorganisch/organischen BHJ-Solarzelle in einem Schritt ist mindestens eine weitere Substanz in der Reaktionslösung enthalten. Es muss daher zuerst die Frage beantwortet werden, ob sich unter diesen Bedingungen das ZnO-Netzwerk ausbilden kann.
Bei dieser weiteren Substanz handelt es sich um ein leitfähiges Polymer wie das P3HT. Zur Untersuchung des Einflusses eines solchen gelösten Makromoleküls auf die ZnO-Aerogelbildung wurde zunächst das in relativ unpolaren Lösungsmitteln gut lösliche PMMA verwendet. Die Standard Aerogelsynthese wurde dahingehend geändert, das zu einer 0.09 M Lösung des Kubans [MeZnOiPr]4 in 2 ml Diglyme / THF (3:1, trocken) 0.058 g Polymethylmethacrylat (PMMA, MW = 35000, FW = 186.2 g/mol) zugegeben wurde. Die Masse des Polymers entspricht dabei der Masse des gebildeten ZnO. Das Gemisch wurde in der Hitze gelöst, anschließend langsam auf 0oC gekühlt und mithilfe 12.9 µl Wasser (4 eq per Kuban) die Hydrolyse gestartet. Das Sol wurde nach 2 h auf 600C erhitzt, worauf sich ein weißes undurchsichtiges, homogenes Gel bildete. Nach Austausch des Lösungsmittels durch CO2 wurde es mithilfe von überkritischem CO2 getrocknet. Es konnte auf diesem Weg ein festes
monolithisches Hybridmaterial erhalten werden, das etwa 50% seines Volumens bei der Trocknung verloren hat. Während das reine ZnO Aerogel unter diesen Bedingungen sehr spröde ist, zeichnet sich das Hybridmaterial eine hohe mechanische Belastbarkeit aus, sodass es sich mit einer Pinzette und sogar den Fingern unter Druck fassen lässt. In Abbildung 77 (a) ist die SEM-Aufnahme eines solchen monolithischen PMMA:ZnO-Aerogels gezeigt, welches nach oben beschriebener Synthese hergestellt wurde. Um zu zeigen, dass sich die Phasen tatsächlich in einem Gewichtsverhältnis von 1:1 bilden und während der Synthese und der Trocknung mit scCO2 kein Material verloren geht, wurden die in Abbildung 77 (b) gezeigten TGA-Messung unter O2 durchgeführt. Tatsächlich beträgt der für den Gesamtmassenverlust bestimmte Wert 55 %, wobei bereits 8 % Masseverlust vor 250oC beobachtet werden, was sich auf H2O an der Oberfläche und in den Poren des Aerogels erklären lässt. Damit liegt der gemessene Wert sehr nahe an dem theoretischen Wert von 50% Massenverlust.
Abbildung 77: (a) SEM-Aufnahme eines monolithischen ZnO:PMMA Aerogel. (b) TGA-Messung des Materials unter O2-Atmosphäre.
Es konnte gezeigt werden, dass Synthese der ZnO-Aerogele sehr stabil gegen äußere Einflüsse ist, sodass sie selbst bei Anwesenheit großer Mengen eines langkettigen Polymers zu der Bildung eines ZnO-Netzwerks führt.
Im Folgenden soll das Material nun genauer analysiert und die Frage beantwortet werden, ob es gelingt durch eine Variation der Menge an Polymer die Porosität und damit auch die Morphologie des ZnO-Aerogelnetzwerks zu beeinflussen. Als Startpunkt der Untersuchung wurde das Massenverhältnis ZnO zu PMMA von 1:1 gewählt. Dieses Verhältnis wurde schrittweise variiert unter Analyse des entstehenden Hybridmaterials. Die N2-Isothermen sowie die SEM Aufnahmen der Materialien sind in Abbildung A 4 gezeigt. In Abbildung 78 (a) sind die aus den N2-Physisorptionsdaten bestimmten BET-Oberflächen der Materialien gegen das
ZnO:PMMA-Verhältnis aufgetragen. Aus dieser systematischen Auftragung ist sichtbar, dass die spezifische Oberfläche der Hybridmaterialien von 125 m2/g für das Verhältnis 1:1 auf 74 m2/g für das Verhältnis 1:5 sinkt.
Bei dieser Messung nicht berücksichtigt wird die unterschiedliche Dichte der Hybridmaterialien. Die theoretische Dichte ρtheor. der unterschiedlichen Verhältnisse lässt sich annäherungsweise über folgende Formel berechnen:
𝜌𝑍𝑛𝑂∙ 𝑉𝑍𝑛𝑂+ 𝜌𝑃𝑀𝑀𝐴∙ 𝑉𝑃𝑀𝑀𝐴
𝑉𝑍𝑛𝑂+ 𝑉𝑃𝑀𝑀𝐴 = 𝜌𝑡ℎ𝑒𝑜𝑟.
Zur Berechnung wurde die Dichte von kristallinen ZnO ρZnO = 5.61 g/cm3und die Dichte von PMMA ρPMMA = 1.16 g/cm3 verwendet.
Korrigiert man die durch Messung erhaltenen Werte der BET-Oberflächen durch die berechneten Dichten ρtheor., so erhält man die in Abbildung 78 (b) gezeigte Abhängigkeit der Oberfläche von dem Verhältnis ZnO:PMMA.
Aus der systematischen Darstellung lässt sich erkennen, dass die Werte sehr eng zusammen liegen, es lässt sich keine klare Abhängigkeit erkennen. Daraus lässt sich schließen, dass eine Änderung der Porosität durch die Anwesenheit des PMMA während des Sol-Gel Prozesses nicht stattzufinden scheint. Die SEM-Aufnahmen der Hybridmaterialien in Abbildung A 4 bestätigen dieses Ergebnis. In allen Aufnahmen ist die filigrane Netzwerkstruktur ohne große sichtbare Unterschiede zu erkennen.
Um zu einer klaren Aussage über die Änderung der Porosität der ZnO-Aerogele zu gelangen, ist es wichtig einen Weg zu finden, um das Polymer unter Erhalt der ursprünglichen Aerogelmorphologie zu entfernen.
Abbildung 78: (a) Aus den N2-Physisorptionsdaten berechneten BET-Oberflächen der ZnO/PMMA Aerogele in verschiedenen Verhältnissen. (b) Korrektur der BET-Oberflächen durch die berechnete Dichte der Hybridmaterialien.
Eine Vorgehensweise zur Beantwortung dieser wichtigen Frage ist die Entfernung des Polymers durch Kalzination des Hybridmaterials. Die hierfür geeignete, minimale Temperatur lässt sich aus der TGA-Messung in Abbildung 77 (b) ermitteln. Bei einer Temperatur von 350oC ist jegliche Organik aus dem Hybridmaterial entfernt, zurück bleibt die anorganische ZnO-Matrix. Eine Kalzination bei dieser Temperatur führt jedoch, wie anhand der SEM-Aufnahmen in Abbildung A 5 gezeigt und aus den N2-Isothermen (Abbildung A 6) bestimmten BET-Oberflächen bestätigt, zu einer starken Änderung der Morphologie der Aerogele.
Da diese Änderung bei gleicher Temperatur des Kalzinationsvorgangs, allerdings bei unterschiedlichem PMMA-Gehalt zu verschiedenen Ergebnissen führt, kann von einem Einfluss des Polymers ausgegangen werden.
Abbildung 79: SEM-Aufnahmen der ZnO-Aerogele nach Entfernen des PMMA aus den PMMA / ZnO-Aerogel Hybridmaterialien mit Aceton. Unterschiedliche Massenverhältnisse PMMA zu ZnO im ursprünglichen Material von: (a) 1:1, (b) 1:2, (c) 1:5. (d) EDX-Spektrum des 1:1 Materials nach Entfernen des PMMA.
Es ist bekannt, dass durch eine organische Matrix mit funktionellen Gruppen, die mit der ZnO-Oberfläche interagieren können, die ZnO-Oberflächenenergien der Kristallite beeinflusst wird, was bei einer Erhöhung der Gesamtenergie des Systems durch Temperatur zu einer Änderung der Morphologie führen kann. Dieses Verhalten wird durch Untersuchungen von Polarz et al.
bestätigt, welche die Änderung der Morphologie von ZnO-Kristallen durch die Gegenwart von Polymeren mit funktionalen Gruppen bestätigen.655 Im Falle des verwendeten Polymers PMMA handelt es sich bei der funktionellen Gruppe um die Estergruppe, welche das Polymer dazu befähigt an die Oberfläche des ZnO zu koordinieren.
Da die Entfernung durch Kalzinieren zu einer Veränderung der Materialien führt, muss eine alternative und sanftere Methode gefunden werden. Diese Methode besteht aus der Entfernung des Polymers durch eine geeignetes Lösungsmittel bei gleichzeitiger Beständigkeit der anorganischen Matrix gegenüber diesem Lösungsmittel. Durch eine Versuchsreihe mit verschiedenen Lösungsmitteln wurde Aceton als geeignet ermittelt, da es zu keiner Veränderung des ZnO-Materials führt und sich aufgrund der ähnlichen Polarität leicht durch flüssiges CO2 tauschen lässt.
Zur Entfernung des Polymers wurde das monolithische Hybridmaterial für 24 h in Aceton eingelegt, unter ständigem Austausch durch frisches Lösungsmittels. Die Trocknung erfolgte nach dem in Kapitel 8.1.1 beschriebenen Verfahren unter superkritischen Bedingungen mit CO2. Es konnten sehr transparente monolithische ZnO-Aerogele ohne erkennbaren Verlust an Volumen des Körpers erhalten werden. Dieses Verfahren wurde auf die Hybridmaterialien mit unterschiedlichen ZnO:PMMA Verhältnissen angewendet. Die SEM-Aufnahmen der auf diesem Wege erhaltenen, reinen ZnO-Materialien sind in Abbildung 79 abgebildet.
Für alle untersuchten Mischungsverhältnisse kann das filigrane ZnO-Netzwerk nach Entfernen des Polymers erhalten werden. Anders als bei der thermischen Entfernung des Polymers tritt bei dieser Route keine Änderung der Aerogel-Morphologie auf. Die Frage, ob die Entfernung des Polymers vollständig verlief, wurde anhand von EDX-Spektren nachgewiesen. Für das ZnO-Aerogel aus der ZnO/PMMA = 1/1 Mischung ist dieses exemplarisch in Abbildung 79 (d) gezeigt. Das im EDX-Spektrum sichtbare Gold-Signal stammt von der Vorbehandlung des Materials, was der üblichen Probenvorbereitung für Rasterelektronenmikroskopie entsprich. Es ist zu erkennen, dass die Entfernung bis auf einen Kohlenstoffrest vollständig verlief. Das Zurückbleiben dieses Restes lässt sich damit begründen, dass Teile der Organik durch das anorganische Material eingeschlossen werden können und somit schwer herauszulösen sind.
Die Menge beträgt laut EDX weniger als 8%. Durch Aufnahme von N2-Isothermen an den reinen ZnO-Aerogelmaterialien konnte bestätigt werden, dass der Sol-Gel Prozess der zu den
ZnO-Aerogelen führt, nicht durch die Anwesenheit von Polymer gestört wird. Die aus den in Abbildung A 7 (a) gezeigten N2-Isothermen berechneten Werte für die BET-Oberflächen der Materialein nach Entfernung des Polymers (Abbildung A 7 (b)) liegen mit 108-122 m2/g im Bereich der herkömmlich synthetisierten ZnO-Aerogele. Die Variation des Polymergehalts zeigt darauf keinen signifikanten Einfluss. Es lässt sich daraus schließen, dass es sich bei der Bildung des Aerogelnetzwerks um einen sehr robusten Prozess handelt, der auch in Anwesenheit größerer Moleküle ablaufen kann. Durch diese Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Herstellung des ZnO / Polymer-Hybridmaterials in einem Schritt möglich ist.
4.3.1.2 Herstellung dünner Schichten von ZnO:Polymer-Hybridaerogel
Für eine Anwendung der ZnO / Polymer- Hybridmaterialien in BHJ-Solarzellen ist es wichtig, dass diese ihre besondere Struktur der ineinandergreifenden Netzwerke auch als dünne Filme behalten. Wie zuvor in Kapitel 4.2 untersucht und beschrieben, eignet sich das dip-coating zu einem definierten Zeitpunkt nach der Hydrolyse eines Vorstufenmoleküls, um ZnO-Aerogele mit einstellbarer Schichtdicke auf Substraten abzuscheiden. Viele der Polymerfilme, wie sie beispielsweise in BHJ-Solarzellen verwendet werden, werden allerdings standardmäßig durch spin-coating abgeschieden.482, 677, 689 Das gelöste Polymer fällt durch das Verdampfen des Lösungsmittels während dem Beschichtungsvorgang als dünne Schicht aus. Bei hochregulären Polymeren wie P3HT kommt es dabei zu einer Kristallisation des Polymers, welche bereits mit bloßem Auge durch eine Farbänderung verfolgbar ist. Für die Abscheidung der ZnO und Polymermatrix in einem Schritt, wie sie zur Herstellung von BHJ-Solarzellen verwendet werden soll, ist die Abscheidung in einem zweistufigen Prozess, also einer Abscheidung zuerst der anorganischen Phase gefolgt von der organischen Phase, nicht erwünscht. Aus diesem Grund muss die Filmbildung genau untersucht werden, auch unter Berücksichtigung des spin-coaten als Beschichtungstechnik.
Um zu beantworten, ob es gelingt ein ineinandergreifendes Netzwerk sowohl von ZnO als auch von PMMA als dünnen Film abzuscheiden, wurden dieselben Lösungen von [MeZnOiPr]4 und PMMA in unterschiedlichen Konzentrationen verwendet, wie bereits für die Untersuchungen der monolithischen Hybrid-Aerogele in Kapitel 4.3.1.1 beschrieben. Der Beschichtungsprozess erfolgte 90 min nach Start der Hydrolyse durch die Zugabe des H2O. Nach einer vorrausgehenden Benetzungszeit von 30 s wurde die Rotationsgeschwindigkeit des spin-coating für eine Minute auf 600 rps eingestellt, anschließend für 1 min auf 1200 rps erhöht.
Für die durch dip-coating hergestellten Filme wurde eine Austauchgeschwindigkeit von 55 cm/min des Substrats aus dem Sol eingestellt. In beiden Fällen konnten homogene, transparente Filme erhalten werden. Die Homogenität und Struktur der Filme wurden mithilfe
von SEM-Aufnahmen untersucht. Die elektronenmikroskopischen Aufnahmen sind in Abbildung A 8 gezeigt. Der in Abbildung A 8 (a) gezeigte Film scheint dabei im Detail eine filigranere Struktur aufzuweisen als der durch spin-coating abgeschiedene Film in Abbildung A 8 (b). Durch die Unterschiede des Kontrasts der anorganischen und der organischen Phase lässt sich bereits vermuten, dass sich die beiden Phasen sehr gut durchdringen. Große Flächen getrennter Phasen sind nicht zu beobachten. Da es sich bei der Technik des spin-coating um die übliche Technik zur Herstellung von BHJ-Solarzellen handelt, wurde diese aufgrund dieser Untersuchungen zur Abscheidung der dünnen Hybridfilme verwendet.
Die Frage nach der räumlichen Durchdringung der anorganischen und der organischen Phase kann durch das selektive Entfernen jeweils einer der beiden Komponenten beantwortet werden.
Dies ist durch die unterschiedliche Löslichkeit der anorganischen und organischen Komponente in organischen und wässrigen Lösungen und der unterschiedlichen Zersetzungstemperatur möglich.
Zur Entfernung der Polymerkomponente wurden die mittels spin-coating auf Glassubstraten abgeschiedenen Hybridfilme in einem Ofen an Luft bei 400oC für 4 h kalziniert.
Abbildung 80: (a) SEM-Aufnahme des bei 400oC kalzinierten ZnO/PMMA-Hybridfilms zur Entfernung des Polymers. (b) EDX-Spektrum des Materials nach der Kalzination.
Entgegen der in Kapitel 4.3.1.1 beschriebenen Änderung der Morphologie aufgrund des Temperatureinflusses ist es bemerkenswert, dass die dünnen Filme bei Temperaturbehandlung ein komplett anderes Verhalten zeigen als die monolithischen Materialien. In der SEM-Aufnahme des kalzinierten Hybridfilms mit einem 1:1 Verhältnis PMMA / ZnO in Abbildung 80 (a) kann keine Änderung der Morphologie festgestellt werden. Das filigrane ZnO-Netzwerk ist deutlich zu erkennen. Das EDX-Spektrum in Abbildung 80 (b) beweist die vollständige Entfernung der organischen Komponente aus dem Aerogel. Neben den Signalen für Zn und O
sind lediglich die Signale des Glassubstrats und der dünnen Gold-Schicht zu erkennen (Si, K, Al, Au).
Obwohl es sich sowohl für den Fall des monolithischen Körpers als für die dünnen Filme um eine PMMA / ZnO-Mischung mit einem kontinuierlichen ZnO-Netzwerk handelt, sind die Bedingungen bei der Temperaturbehandlung doch verschieden. Während das monolithische Material nur aus den beiden Komponenten besteht, wird der dünne Hybridfilm zusätzlich durch das Substrat stabilisiert, auf welchem er abgeschieden ist.58 Desweitern können gasförmige Zersetzungsprodukte im Falle der dünnen Filme schneller entweichen als dies für die monolithischen Körper der Fall ist. Außerdem sind die Kräfte die auf das Netzwerk wirken durch das kleinere Volumen geringer, das System kann Spannungen im Netzwerk besser ausweichen als dies für den Fall des dreidimensionalen, hochgradig vernetzten monolithischen Körper der Fall ist.
Abbildung 81: SEM-Aufnahmen dünner und poröser PMMA-Filme nach Entfernung des ZnO aus den Hybridfilmen mit 1 M HCl. Ursprüngliche Massenverhältnisse PMMA / ZnO: (a) 1:1, (b) 1:2, (c) 1:3. (d) EDX-Spektrum der Filme beweisen die vollständige Entfernung des ZnO aus dem Material.
Um zu zeigen, dass auch die organische Komponente ein durchgängiges Netzwerk ausbildet, soll nun die komplementäre Untersuchung durch Entfernung des Metalloxids erfolgen. Das ZnO wurde dafür durch Einlegen des Films in 1 M HCl für 12 h unter leichtem Rühren aus dem Hybridmaterial herausgelöst. Nach der Trocknen an Luft bei Raumtemperatur wurde die Struktur des PMMA-Films mithilfe von SEM-Aufnahmen untersucht.
In Abbildung 81 (a) ist ein auf diese Weise hergestellter optisch transparenter PMMA-Film gezeigt. Das ursprüngliche Massenverhältnis von ZnO zu PMMA betrug 1:1. In der SEM-Aufnahme lässt sich das „eingebrannte“ Bild der vorangegangenen Vergrößerungsstufe (quadratisches Feld in der Mitte der Aufnahme) erkennen, da das PMMA gegenüber Elektronenbeschuss mit einer hohen Beschleunigungsspannung nicht stabil ist. Dies ist ein indirekter Beweis, dass es sich um das reine Polymermaterial handelt. Um die vollständige Entfernung des ZnO zu beweisen, wurden zusätzlich EDX-Spektren (Abbildung 81 (d)) des Films aufgenommen. In dem Spektrum sind keinerlei Signale für Zink zu erkennen, die vollständige Entfernung der anorganischen Komponente mithilfe 1 M HCl konnte so bewiesen werden.
Währen sich die Bildung des ZnO-Netzwerks nicht durch die Anwesenheit des Polymers stören lässt, gestaltet sich dies für das organische Netzwerk anders. Als „weiche“ Materie legt es sich bei Verdunsten des Lösungsmittels um die „harte“ anorganische Komponente, die so als Templat fungiert. Diese Herstellungsmethode wird in den Materialwissenschaften als „nano-casting“ beschrieben. Durch eine Variation der PMMA Menge bei festem ZnO-Anteil lässt sich in den SEM-Aufnahmen in Abbildung 81 eine deutlich Änderung der Porosität der PMMA-Filme erkennen. Mit steigendem ZnO zu PMMA Verhältnis steigt die Porosität des reinen PMMA-Materials. Die Untersuchungen beantworten die Frage ob über die beschriebene Herstellungsmethode auch kontinuierliche Polymer - Netzwerke herzustellen sind, wie sie für die Herstellung der BHJ-Solarzellen benötigt werden.
4.3.1.3 Strukturelle Analyse der dünnen Hybrid-Filme mit P3HT durch eine besondere Probenpräparation mithilfe der STEM
Durch das separate Herauslösen der organischen und anorganischen Komponente des Hybridmaterials konnte ein genaues Bild der Struktur der einzelnen Komponenten erhalten werden. Als bildgebende Technik wurde dazu die Rasterelektronenmikroskopie verwendet. Im Folgenden wird die Entwicklung einer Methode beschrieben, mit der es gelingt das sich durchdingende Netzwerk der anorganischen und der organischen Phase zerstörungsfrei zu beobachten.
Polymere wie PMMA und P3HT sind empfindlich gegenüber hohen Beschleunigungsspannungen, wodurch die Untersuchung mithilfe der Transmissionselektronenmikroskopie nicht möglich ist. Zudem erfolgt die bisher beschriebene Probenvorbereitung auf einem Substrat, welches die Aufnahme eines Bildes in Transmission verhindert. Um dennoch einen Eindruck der Phasendurchmischung der dünnen Hybridmaterialien zu gewinnen, wurden spezielle Techniken der Probenvorbereitung und Elektronenmikroskopie kombiniert, um elektronenmikroskopische Aufnahmen in Transmission zu erhalten.
Zuerst musste ein Verfahren gefunden werden, mit dem es gelingt den dünnen Hybridfilm vom Substrat zu lösen. Dazu wurde ein Glassubstrat mit dem wasserlöslichen Polymer PEDOT:PSS beschichtet, auf welches der PMMA / ZnO – Hybridfilm abgeschieden wurde. Über das
Zuerst musste ein Verfahren gefunden werden, mit dem es gelingt den dünnen Hybridfilm vom Substrat zu lösen. Dazu wurde ein Glassubstrat mit dem wasserlöslichen Polymer PEDOT:PSS beschichtet, auf welches der PMMA / ZnO – Hybridfilm abgeschieden wurde. Über das