Mg-Dotierung poröser ZnO-Schichten
Die effektive Nutzung von Sonnenlicht für die Erzeugung von Energie spielt in jedem realistischen Zukunftszenario eine große Rolle für das Erreichen unserer selbstgestellten Klimaziele. Während die meisten Konzepte zur Gewinnung von Energie aus Sonnenlicht auf der Umwandlung in Wärme beruhen, sind Solarzellen in der Lage, elektrische Energie direkt aus Sonnenlicht zu gewinnen. Für eine möglichst umfassende Ausnutzung des auf die Erde treffenden Sonnenlichts ist es nötig, Solarzellen auch in bisher unbenutzte Bereiche einzubringen.
Farbstoffsensibilisierte Solarzellen (dye-sensitized solar cells, DSCs) unterscheiden sich von traditionellen Solarzellkonzepten durch die Verwendung des namensgebenden Farbstoffs als Lichtabsorber. Durch den Einsatz eines Farbstoffes wird die DSC deutlich weniger abhängig vom Winkel des einfallenden Lichts als schichtartig aufgebaute Solarzelltypen. Er ermöglicht die effektive Absorption von Streulicht und sorgt so auch unter Licht niedriger Intensität für gute Wirkungsgrade. Zusätzlich kann durch die Wahl unterschiedlicher Farbstoffe auch das Erscheinungsbild der DSC stark angepasst werden. All dies prädestiniert die DSC für Verwendung in Fassaden, Innenräumen oder mobilen Anwendungen.
In der DSC wird der Farbstoff auf eine poröse Halbleiterschicht aufgebracht. Durch die Absorption von Licht wird ein Elektron innerhalb des Farbstoffs in einen höheren energetischen Zustand angeregt und von dort in das Leitungsband des Halbleiters injiziert. Während ein gewisser Unterschied zwischen diesen Energieniveaus als Triebkraft für die Injektion benötigt wird, geht dabei ein signifikanter Anteil der absorbierten Energie verloren. Dieses Promotionsprojekt zielt daher auf die Optimierung der Elektroneninjektion in die Halbleiterschicht ab, um Verluste während des Prozesses zu minimieren. Um dies zu erreichen, soll die Leitungsbandkante des Halbleiters energetisch an den angeregten Zustand des Farbstoffs angenähert werden.
Während traditionell Titandioxid (TiO2) das Halbleitermaterial der Wahl in DSCs gewesen ist, wird im Sinne der Optimierung bereits seit langem nach einer Alternative gesucht. Zinkoxid (ZnO) hat sich dabei aufgrund seiner hohen Elektronenmobilität als der vielversprechenster Kanditat herausgestellt. In diesem Projekt sollen die Halbleitereigenschaften von ZnO durch die Substitution von Zn durch Magnesium (Mg) angepasst werden. MgZnO erlaubt die variierbare Vergrößerung der Bandlücke durch die Kontrolle des Mg-Gehalts.