Studies of charge transport and phase transition equilibria in blends of ionic liquids for dye-sensitised solar cells

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-opus-9598
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.10736

Wachter, Philipp

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Date of publication of this fulltext: 08 May 2008 16:24

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Date:	7 May 2008
Referee:	Heiner J. (Prof. Dr.) Gores
Date of exam:	18 April 2008
Institutions:	Chemistry and Pharmacy > Institut für Physikalische und Theoretische Chemie > Chair of Chemistry VI - Physical Chemistry (Solution Chemistry) > PD Dr. Heiner Jakob Gores
Keywords:	Farbstoffsolarzelle , Leitfähigkeit , Phasendiagramm , Diffusionskoeffizient , Ionische Flüssigkeit , Mikroelektroden , microelectrodes , dye-sensitised solar cells , diffusion coefficient , ionic liquids , phase diagram
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 540 Chemistry & allied sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	10736

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Abstract (English)

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In this work a comprehensive characterisation of four ionic liquid (IL) based electrolyte systems for dye-sensitised solar cells (DSSCs) was performed by determination of triiodide diffusion coefficients, conductivities and liquid ranges. The electrolytes, consisting of iodine, 1-methyl-3-propylimidazolium iodide (MPII), and a low viscosity solvent IL, were examined at varying IL molar ratios and fixed iodine concentration, as well as at fixed IL molar ratio and varying iodine concentrations. Diffusion and conductivity measurements were conducted over a broad temperature range to analyse the electrolyte properties in regards to thermal stress of the DSSC for later practical application. The triiodide diffusion coefficient and the electrolyte conductivity typically increase with decreasing MPII concentration or increasing temperature, caused by decreasing electrolyte viscosity. Generally, strong non-Stokesian diffusion behaviour was found for all electrolytes, decreasing at higher temperatures. In contrast to MPII concentration and temperature, the triiodide concentration had no distinct effect on the triiodide diffusion. Determination of the electrolyte�s liquid ranges by thermal analysis with simultaneous recording of conductivity yielded unexpected narrow liquid ranges for the electrolytes based on 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide and 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate. For the electrolyte systems based on 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide and 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate, in principle, wider liquid ranges were obtained. However, for most of their blends no phase transitions were obtained. Investigation of conductivity and phase transition points of eleven pure ILs yielded in several cases conductivity data and melting points that were not previously reported. Consideration of fragility, based on the temperature dependence of conductivity, yielded that all examined ILs are fragile glass formers and show strong non-Arrhenius behaviour.

Translation of the abstract (German)

Im Rahmen dieser Arbeit wurden vier auf ionischen Fluiden (ILs) basierende Elektrolyt-Systeme hinsichtlich ihrer Eignung als Elektrolyte für farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSSCs) untersucht. Dazu wurden in den Elektrolyten, die sich aus Iod, 1-Methyl-3-propylimidazoliumiodid (MPII) und einem zweiten, niedriger viskosen ionischem Fluid zusammensetzen, die Triiodid-Diffusionskoeffizienten, Leitfähigkeiten und Fest-Flüssig-Phasenübergänge über den kompletten Mischungsbereich der ILs untersucht. Der Temperaturbereich von Diffusions- und Leitfähigkeitsmessungen wurde dem voraussichtlichen Bereich der Arbeitstemperatur von DSSCs angepasst. Sowohl Triiodid-Diffusionskoeffizienten als auch Leitfähigkeiten steigen bei sinkender MPII-Konzentration oder steigender Temperatur aufgrund der sinkenden Viskosität stark an. Für alle Elektrolyt-Systeme wurde ein ausgeprägter nicht-Stokes�scher Anteil an der Diffusion festgestellt, der mit steigender Temperatur abnimmt. Eine zusätzliche Variierung der Iodkonzentration hatte keinen nennenswerten Einfluss auf den Triiodid-Diffusionskoeffizienten. Durch Thermische Analyse bei gleichzeitiger Aufzeichnung der Leitfähigkeit konnte gezeigt werden, dass die zwei Elektrolyt-Systeme mit 1-Ethyl-3-methylimidazoliumbis(trifluoromethylsulfonyl)imid bzw. 1-Ethyl-3-methylimidazoliumtetrafluoroborat als niedrig viskosem IL erst bei relativ hohen Temperaturen vollständig in die flüssige Phase übergehen. Für die Mischungen auf der Basis von 1-Ethyl-3-methylimidazoliumdicyanamid bzw. 1-Ethyl-3-methylimidazoliumtrifluoromethansulfonat ist die flüssige Phase prinzipiell bis zu sehr viel niedrigeren Temperaturen stabil. Allerdings konnten für einen großen Teil der Mischungen dieser beiden Systeme keine Phasenübergänge beobachtet werden. Zusätzlich zu den Elektrolyt-Mischungen wurden Leitfähigkeiten sowie Fest- und Schmelzpunkte von elf reinen ILs untersucht. Die dabei erhaltenen Werte für Fest- und Schmelzpunkte waren größtenteils noch nicht publiziert; auch einige Leitfähigkeiten wurden erstmalig gemessen. Die Untersuchung der Fragilität ergab für alle untersuchten ILs sehr niedrige Stärke-Indizes und somit hohe Fragilitäten. Die Temperaturabhängigkeit von Transporteigenschaften in diesen ILs kann somit nicht nach Arrhenius beschrieben werden.

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