Neuartige Elektrolytsysteme für Grätzel-Solarzellen: Mechanismen des Iod- und Ladungstransports
Final Report Abstract
Dieses Projekt richtete sich auf wichtige Eigenschaften des Ionentransports in Polymerelektrolyten mit potenzieller Anwendung für Grätzel-Solarzellen. Die hergestellten Elektrolyten bestanden in den meisten Fällen aus einer langkettigen Polyethylenoxid(PEO)-Matrix mit einer gelösten ionischen Flüssigkeit (IL) auf der Basis des Iod-Anions und eines großen organischen Kations. Schwerpunktmäßig wurde der Einfluss einer Zugabe von reinem Iod, die für die Wirkung der Solarzelle unerlässlich ist, auf die Gesamtionenleitfähigkeit sowie auf die Diffusion der Anionen und Kationen untersucht. Darüber hinaus konzentrierten sich die Projektarbeiten auf die Unterschiede zwischen den neuartigen Polymer-IL-Systemen und den klassischen Polymerelektrolyten mit anorganischen Iodidsalzen. Wichtige Voraussetzung für die Durchführung der Untersuchungen war die einzigartige Verfügbarkeit von drei experimentellen Methoden: die elektrochemische Impedanz-Spektroskopie, die Feldgradienten- Kernspinresonanz (PFG-NMR) und das Radiotracer-Diffusionsverfahren. Die erzielten Ergebnisse können wie folgt zusammengefasst werden: • Der spezielle Projektansatz liefert neue und detaillierte Informationen über den Ionentransport, welche die Resultate aus den üblichen elektrochemischen Messungen in hohem Maße ergänzen. • Der Einsatz von geeigneten Ionenflüssigkeiten als Iodidsalz in Polymerelektrolyten ermöglicht die Erweiterung des Zusammensetzungsbereichs von „IL-in-Polymer“ zu „Polymer-in-IL“, was mit einer erheblichen Zunahme des technologisch relevanten Iod-Transports einhergeht. • Entgegen der Erwartung sind die Transportanteile von Kation-Anion-Paaren in den neuartigen Polymer-IL-Systemen auf Iodidbasis beträchtlich groß, jedoch kleiner als in vergleichbaren klassischen Polymerelektrolyten. • Die Zugabe des elementaren Iods zu Iodsalz-basierten Polymerelektrolyten führt zu einer verringerten Bildung neutraler Ionenpaare, was wiederum eine Beschleunigung des Ladungstransports bewirkt. • Der in der Literatur bevorzugte Grotthuß-ähnliche Mechanismus des Iod- und Ladungstransports spielt in entsprechenden Polymerelektrolyten mit niedrigen Salzkonzentrationen keine signifikante Rolle. • Erstmalig wurden an Polymer-IL-Elektrolyten Messungen des Ladungs- und Iod- Transports mittels der Cyclovoltammetrie in Abhängigkeit von der Temperatur durchgeführt. Der Vergleich mit den Ergebnissen aus direkten Diffusionsmessungen an den gleichen Proben zeigt eine gute Übereinstimmung. Insgesamt geben die Projektergebnisse wichtige Hinweise für die Weiterentwicklung von leistungsfähigen Elektrolyten für Grätzel-Solarzellen.
Publications
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