Fischereder Achim
Forum Technik und Gesellschaft Förderpreisträger 2009
Kategorie Master-/Diplomarbeiten
1. Preis
Titel
Herstellung und physikalische Eigenschaften eines "double-cable"-Polymers für organische Solarzellen
Kurzfassung
Der Wunsch Energie aus erneuerbaren Quellen auf kostengünstigen Weg zu erzeugen, beflügelte die Forschung auf dem Gebiet der Polymer-basierten organischen Solarzellen in den letzten zehn Jahren. Um hohe Wirkungsgrade erzielen zu können, ist die Kontrolle der Morphologie der aktiven Schicht von entscheidender Bedeutung, jedoch treten vor allem hierbei viele Probleme auf. Diese Situation sollte sich durch die Verwendung von Polymeren, bei denen ein Elektronenakzeptor chemisch an den Polymerstrang (Elektronendonor) gebunden ist, deutlich verbessert lassen.
Diese Arbeit beinhaltet die erfolgreiche Synthese und anschließende Untersuchung eines solchen "double-cable"-Polymers, bestehend aus einem Carbazol-Bithiophen-Polymerstrang, der mit Perylentetracarboxyldiimid - Einheiten (PDI - Einheiten) als Elektronenakzeptoren funktionalisiert ist. Um den Einfluss der PDI - Einheiten auf den Polymerstrang zu untersuchen sowie ihre Wechselwirkung aufzuklären, wurden drei Referenzsubstanzen hergestellt und analysiert. Weiters wurden dadurch Vor- und Nachteile der „double-cable“-Architektur identifiziert. Als Referenzsubstanzen dienten ein Polymer mit dem gleichen Polymerstrang, jedoch ohne PDI-Einheiten, und zwei unterschiedliche Perylentetracarboxyldiimide. Das "double-cable"-Polymer zeigt ausgeprägten Elektronentransfer vom Polymerstrang zu den kovalent gebundenen PDI - Einheiten, wodurch eine hocheffiziente Dissoziation von Excitonen und ein vollständiges Löschen der Fluoreszenz in Lösung und in dünnen Filmen des Polymers erreicht wird. Zusätzlich absorbiert das Polymer Licht bis zu 570 nm und besitzt eine vorteilhafte Anordnung der Energielevels, die eine theoretische Photospannung von 1,64 V ermöglicht. Es konnte auch gezeigt werden, dass eine wünschenswerte Aggregation der PDI-Einheiten innerhalb eines Polymerstranges stattfindet, wodurch sich Kanäle für den Ladungstransport ausbilden.
persönliche Begründung der gesellschaftlichen Relevanz
Der rasant steigende Weltenergiekonsum und der erhöhte Ausstoß von Treibhausgasen ist mittlerweile ein täglich aktuelles Thema in den Medien. Um den damit in Verbindung stehenden Klimawandel abwenden bzw. abschwächen zu können ist die Notwendigkeit der Nutzung von alternativen und erneuerbaren Energien zur Breitstellung unseres täglichen Energieverbrauchs unumstritten. Die Suche und der Ausbau dieser Energieformen wird in steigendem Ausmaß in jeder Gesellschaftsdimension, sei es weltpolitisch am Beispiel des Kyoto-Protkolls oder auch im Bereich der privaten Nutzung in Form von photovoltaischen Hausanlagen etc., in steigendem Ausmaß diskutiert. Die Nutzung der Sonnenenergie kann in diesem Kontext einen wichtigen Beitrag zur Lösung dieses gesellschaftlichen und umweltpolitischen Problems darstellen. Die durch die Sonneneinstrahlung verfügbare Energie übersteigt den heutigen Weltenergiekonsum mehr als 1000-fach und kann zusätzlich an jedem Ort der Welt genutzt werden. Der Betrieb von photovoltaischen Anlagen ist vergleichsweise günstig und produziert im Gegensatz zu vielen anderen alternativen Energieformen keinerlei Treibhausgase. Solarzellen basierend auf anorganischen Halbleitern, welche derzeit am Markt sind, haben jedoch noch gravierende Nachteile welche eine großflächige Nutzung der Photovoltaik zur Stromgewinnung verhindern. Ein Hauptproblem sind die hohen Kosten, bedingt durch die Verwendung von hoch reinem Silizium oder Seltenerdmetallen für die Herstellung der aktiven Schicht. Weiters sind kommerziell erhältliche Module starr und weisen somit nur ein sehr eingeschränktes Anwendungsspektrum auf. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Erforschung von innovativen Materialien für organische Solarzellen. Photoaktive Polymere sollen die teuren anorganischen Halbleiter ersetzen und somit eine äußerst kostengünstige Herstellung von Solarzellenmodulen ermöglichen. Ein weiterer Vorteil von Polymer-basierten Solarzellen ist die mechanische Flexibilität, wodurch zum Beispiel zusammenrollbare Solarzellenmodule in Zukunft verwirklicht werden könnten. Ein hoher Wirkungsgrad einer Solarzelle kann nur durch effiziente Ladungstrennung und effizienten Ladungstransport erreicht werden. Dafür wird ein photoaktives Polymer mit einem Elektronenakzeptor (z.B. Fullerene) gemischt. Hierbei ist jedoch die Kontrolle der Morphologie, die den Wirkungsgrad maßgeblich beeinflusst, äußerst problematisch. Um diese Situation entscheidend zu verbessern wurde im Zuge meiner Diplomarbeit der innovative Ansatz eines „double-cable“-Polymers gewählt und erfolgreich umgesetzt. Dabei wird der Elektronenakzeptor chemisch an das photoaktive Polymer gebunden wodurch die Ladungstrennung verbessert und die Morphologiekontrolle erleichtert wird. Die vorliegende Arbeit wurde im Zuge eines Erasmus-Aufenthalts durch eine Kooperation vom Institut für Chemische Technologie für Materialen an der TU Graz mit dem Polymer Center und dem Department of Physics and Astronomy an der University of Sheffield ermöglicht. Die synergetische Zusammenarbeit von verschiedenen internationalen Universitäten und Instituten, ermöglichte somit eine äußerst effektive und interdisziplinäre Forschung. Die Diplomarbeit spannt sich über ein breites Spektrum angefangen bei organischer Synthesechemie über physikalische Charakterisierungsverfahren bis hin zu praktischen Anwendungstests der erhaltenen Materialien in Solarzellen. Die Ergebnisse zeigen einen möglichen innovativen Ansatz in der Entwicklung von organischen Solarzellen auf. Somit konnte ein weiterer Beitrag im Kampf gegen den Klimawandel und zu einer Lösung dieses gesellschaftlichen Problems geleistet werden.
Kategorie Master-/Diplomarbeiten
1. Preis
Titel
Herstellung und physikalische Eigenschaften eines "double-cable"-Polymers für organische Solarzellen
Kurzfassung
Der Wunsch Energie aus erneuerbaren Quellen auf kostengünstigen Weg zu erzeugen, beflügelte die Forschung auf dem Gebiet der Polymer-basierten organischen Solarzellen in den letzten zehn Jahren. Um hohe Wirkungsgrade erzielen zu können, ist die Kontrolle der Morphologie der aktiven Schicht von entscheidender Bedeutung, jedoch treten vor allem hierbei viele Probleme auf. Diese Situation sollte sich durch die Verwendung von Polymeren, bei denen ein Elektronenakzeptor chemisch an den Polymerstrang (Elektronendonor) gebunden ist, deutlich verbessert lassen.
Diese Arbeit beinhaltet die erfolgreiche Synthese und anschließende Untersuchung eines solchen "double-cable"-Polymers, bestehend aus einem Carbazol-Bithiophen-Polymerstrang, der mit Perylentetracarboxyldiimid - Einheiten (PDI - Einheiten) als Elektronenakzeptoren funktionalisiert ist. Um den Einfluss der PDI - Einheiten auf den Polymerstrang zu untersuchen sowie ihre Wechselwirkung aufzuklären, wurden drei Referenzsubstanzen hergestellt und analysiert. Weiters wurden dadurch Vor- und Nachteile der „double-cable“-Architektur identifiziert. Als Referenzsubstanzen dienten ein Polymer mit dem gleichen Polymerstrang, jedoch ohne PDI-Einheiten, und zwei unterschiedliche Perylentetracarboxyldiimide. Das "double-cable"-Polymer zeigt ausgeprägten Elektronentransfer vom Polymerstrang zu den kovalent gebundenen PDI - Einheiten, wodurch eine hocheffiziente Dissoziation von Excitonen und ein vollständiges Löschen der Fluoreszenz in Lösung und in dünnen Filmen des Polymers erreicht wird. Zusätzlich absorbiert das Polymer Licht bis zu 570 nm und besitzt eine vorteilhafte Anordnung der Energielevels, die eine theoretische Photospannung von 1,64 V ermöglicht. Es konnte auch gezeigt werden, dass eine wünschenswerte Aggregation der PDI-Einheiten innerhalb eines Polymerstranges stattfindet, wodurch sich Kanäle für den Ladungstransport ausbilden.
persönliche Begründung der gesellschaftlichen Relevanz
Der rasant steigende Weltenergiekonsum und der erhöhte Ausstoß von Treibhausgasen ist mittlerweile ein täglich aktuelles Thema in den Medien. Um den damit in Verbindung stehenden Klimawandel abwenden bzw. abschwächen zu können ist die Notwendigkeit der Nutzung von alternativen und erneuerbaren Energien zur Breitstellung unseres täglichen Energieverbrauchs unumstritten. Die Suche und der Ausbau dieser Energieformen wird in steigendem Ausmaß in jeder Gesellschaftsdimension, sei es weltpolitisch am Beispiel des Kyoto-Protkolls oder auch im Bereich der privaten Nutzung in Form von photovoltaischen Hausanlagen etc., in steigendem Ausmaß diskutiert. Die Nutzung der Sonnenenergie kann in diesem Kontext einen wichtigen Beitrag zur Lösung dieses gesellschaftlichen und umweltpolitischen Problems darstellen. Die durch die Sonneneinstrahlung verfügbare Energie übersteigt den heutigen Weltenergiekonsum mehr als 1000-fach und kann zusätzlich an jedem Ort der Welt genutzt werden. Der Betrieb von photovoltaischen Anlagen ist vergleichsweise günstig und produziert im Gegensatz zu vielen anderen alternativen Energieformen keinerlei Treibhausgase. Solarzellen basierend auf anorganischen Halbleitern, welche derzeit am Markt sind, haben jedoch noch gravierende Nachteile welche eine großflächige Nutzung der Photovoltaik zur Stromgewinnung verhindern. Ein Hauptproblem sind die hohen Kosten, bedingt durch die Verwendung von hoch reinem Silizium oder Seltenerdmetallen für die Herstellung der aktiven Schicht. Weiters sind kommerziell erhältliche Module starr und weisen somit nur ein sehr eingeschränktes Anwendungsspektrum auf. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Erforschung von innovativen Materialien für organische Solarzellen. Photoaktive Polymere sollen die teuren anorganischen Halbleiter ersetzen und somit eine äußerst kostengünstige Herstellung von Solarzellenmodulen ermöglichen. Ein weiterer Vorteil von Polymer-basierten Solarzellen ist die mechanische Flexibilität, wodurch zum Beispiel zusammenrollbare Solarzellenmodule in Zukunft verwirklicht werden könnten. Ein hoher Wirkungsgrad einer Solarzelle kann nur durch effiziente Ladungstrennung und effizienten Ladungstransport erreicht werden. Dafür wird ein photoaktives Polymer mit einem Elektronenakzeptor (z.B. Fullerene) gemischt. Hierbei ist jedoch die Kontrolle der Morphologie, die den Wirkungsgrad maßgeblich beeinflusst, äußerst problematisch. Um diese Situation entscheidend zu verbessern wurde im Zuge meiner Diplomarbeit der innovative Ansatz eines „double-cable“-Polymers gewählt und erfolgreich umgesetzt. Dabei wird der Elektronenakzeptor chemisch an das photoaktive Polymer gebunden wodurch die Ladungstrennung verbessert und die Morphologiekontrolle erleichtert wird. Die vorliegende Arbeit wurde im Zuge eines Erasmus-Aufenthalts durch eine Kooperation vom Institut für Chemische Technologie für Materialen an der TU Graz mit dem Polymer Center und dem Department of Physics and Astronomy an der University of Sheffield ermöglicht. Die synergetische Zusammenarbeit von verschiedenen internationalen Universitäten und Instituten, ermöglichte somit eine äußerst effektive und interdisziplinäre Forschung. Die Diplomarbeit spannt sich über ein breites Spektrum angefangen bei organischer Synthesechemie über physikalische Charakterisierungsverfahren bis hin zu praktischen Anwendungstests der erhaltenen Materialien in Solarzellen. Die Ergebnisse zeigen einen möglichen innovativen Ansatz in der Entwicklung von organischen Solarzellen auf. Somit konnte ein weiterer Beitrag im Kampf gegen den Klimawandel und zu einer Lösung dieses gesellschaftlichen Problems geleistet werden.