Ladungstrennung in Kontaktsystemen mit CdSe-Quantenpunkt-Schichten

Quantum dot (QD) solar cells are a fast developing area in the field of solution processed photovoltaics. Central aspects for the application of QDs in solar cells are separation and transport of charge carriers in the QD layers and the formation of charge selective contacts. Even though efficiencies of up to 7% were reached in QD solar cells, these processes are not yet fully understood. In this thesis the mechanisms of charge separation, transport and recombination in CdSe QD layers and layer systems were studied. Charge separation was measured via surface photovoltage (SPV) at CdSe QD layers with thicknesses in the range of monolayers. To determine the influence of interparticle distance of QDs and trap states on the surface of QDs on charge separation, QDs with four different surfactant layers were studied. Layers of CdSe QDs were prepared on ITO, Si, SiO2 and CdS by dip coating under inert atmosphere. The layers were characterized by Rutherford backscattering spectrometry, UV-vis spectroscopy, step profilometry and scanning electron microscopy to determine the areal density, the absorption and thickness of CdSe QD monolayers. SPV measurements show that initial charge separation from the CdSe QDs on ITO only happened from the first monolayer of QDs. Electrons, photo-excited in the first monolayer of CdSe QDs, were trapped on the ITO surface. The remaining free holes were trapped in surface states and/or diffused into the neighboring QD layers. The thick surfactant layer (1.6 nm) of pristine QDs had to be reduced by washing and/or ligand exchange for separation of photo-excited charge carriers. Both, interparticle distance and trap density, influenced the processes of charge separation and recombination. SPV transients of CdSe monolayers could be described by a single QD approximation model, based on Miller-Abrahams hopping of holes between the delocalized excitonic state, traps on the surface of the QD and the filled trap on the ITO surface (recombination). The values of QD-ITO distance and trap density, determined with the simulation were consistent with transmission electron microscopy and photoluminescence measurements. The separation and diffusion of charge carriers was limited due to trapping of charge carriers. Smaller interparticle distances led to faster decays in CdSe QD monolayers. However the increase of traps, which resulted in a slower decay dominated and led to longer decay times of SPV transients of modified CdSe QD layers. By deposition of CdSe QDs on CdS a heterojunction was created. The CdS layer served as acceptor for electrons excited in CdSe QDs. Furthermore a CdSe QD/CdTe nanoparticle heterojunction was realized by successive electrophoretic deposition. CdSe QDs acted as electron acceptors, whereas CdTe nanoparticles acted as electron donors. Charge separation was dominated by the CdSe QD/CdTe nanoparticle interphase, as inverted layer stacking of CdSe QDs and CdTe nanoparticles gave an inverted SPV signal.Quantenpunkt (QD) Solarzellen sind ein junges Gebiet im Bereich der Photovoltaik. Für die Verwendung von QDs in Solarzellen sind Trennung und Transport von Ladungsträgern in QD-Schichten und ladungsselektive Kontakte zentrale Aspekte. Obwohl schon Wirkungsgrade von bis zu 7% für QD-Solarzellen erreicht wurden, liegt noch kein vollständiges Verständnis über diese Prozesse vor. In dieser Arbeit wurden die Mechanismen von Ladungstrennung, -transport und -rekombination in CdSe-QD-Schichten und Schichtsystemen untersucht. Die Ladungstrennung wurde durch Oberflächenphotospannung (SPV) an CdSe-QD Schichten im Bereich von Monolagen gemessen. Um den Einfluss von Partikelabstand und Störstellendichte auf der Oberfläche von QDs zu bestimmen, wurden QDs mit vier unterschiedlichen Oberflächenmodifikationen untersucht. Die QD Schichten wurden über eine Tauchbeschichtung unter Inertatmosphäre auf ITO, Si, SiO2 und CdS hergestellt. Die Schichten wurden mit Rutherford- Rückstreu-Spektrometrie, UV-Vis-Spektroskopie, Step-Profilometrie und Rasterelektronenmikroskopie untersucht, um die Flächendichte, die Absorption und die Dicke von CdSe-QD-Monolagen zu bestimmen. SPV Untersuchungen zeigen, dass die anfängliche Ladungstrennung aus CdSe-QDs auf ITO nur von der ersten Monolage von CdSe-QDs ausging. Elektronen, welche in der ersten CdSe-QD- Monolage angeregt wurden, wurden an ITO-Oberflächendefekten eingefangen. Die verbleibenden freien Löcher wurden an Defekten auf der QD-Oberfläche eingefangen und/oder diffundierten in benachbarte QD-Schichten. Eine Reduzierung der Dicke der Moleküllage (1.6 nm) auf den ursprünglichen QDs durch Waschen und/oder Ligandenaustausch war nötig um Trennung von angeregten Ladungsträgern zu erreichen. Sowohl der Abstand zwischen QDs als auch die Defektdichte beeinflussten die Prozesse von Ladungstrennung und -rekombination. SPV-Transienten an CdSe-QD-Monolagen konnten durch ein Modell separater QDs beschrieben werden. Das Model basiert auf thermisch angeregten Übergängen der Löcher (Miller-Abrahams Sprünge) zwischen dem delokalisiertem exzitonischem QD-Zustand, den Defektzuständen auf der QD-Oberfläche und dem besetztem Defekt auf der ITO-Oberfläche (Rekombination). Die Werte der Simulation der SPV-Transienten für den ITO-QD-Abstand und der Defektdichte stimmen mit den Transmissionselektronenmikroskopie- und Photolumineszenzmessungen überein. Die Trennung und Diffusion der Ladungsträger ist durch die Defektzustände transportlimitiert. Ein geringerer QD-Abstand führte in CdSe-QD-Monolagen zu schnelleren Transienten, wobei die Verlangsamung der Transienten durch höhere Defektdichten dominierte und zu längeren Abklingzeiten der SPV-Transienten von modifizierten CdSe-QD-Schichten führte. Durch Abscheiden von CdSe-QDs auf CdS wurde ein Heteroübergang geschaffen. Die CdS-Schicht diente als Akzeptor für in CdSe-QDs angeregte Elektronen. Zudem wurde ein CdSe-QD/CdTe-Nanopartikel-Heteroübergang durch aufeinander folgendes elektrophoretisches Abscheiden der QDs und Nanopartikel realisiert. Die CdTe-Nanopartikel fungierten als Elekronendonatoren, wobei die CdSe QDs als Elektronenakzeptorn in dem System dienten. Die Ladungstrennung wurde durch die CdSe-QD/CdTe-Nanopartikel-Grenzfläche dominiert, da umgekehrte Schichtstapelung zu einem invertierten SPV-Signal führte