Vapour phase deposition of dye sensitizer

Abstract

Uusiutuvat energiamuodot ja aurinkosähkö ovat kuuma puheenaihe. Myös tutkimustyö tällä saralla on ollut kiivasta viime vuosikymmeninä ja tuloksena on syntynyt esimerkiksi väriaineherkistetyt aurinkokennot. Nämä aurinkokennot voivat olla halpa ratkaisu tulevaisuuden päästöttömään energiantuotantoon, mutta näissä aurinkokennoissa käytetyt valolle herkät väriaineet voivat antaa myös uusia mahdollisuuksia molekyylielektroniikan saralle ja tuleviin nanomittaluokan sovelluksiin. Väriaineiden laajempi käyttö vaatii kuitenkin uudenlaisten värjäysmetodien kehittämistä. Tässä työssä keskityttiinkin väriainehöyrystimen kehittämiseen ja testaamiseen. Työn alussa tehdään katsaus väriaineisiin ja käydään läpi höyrystämiseen liittyvää teoriaa, kuten filmin muodostumisnopeutta ja erilaisia kasvumoodeja. Tämän jälkeen tutustutaan väriaineherkistettyihin aurinkokennoihin, niiden toimintamekanismiin ja valmistukseen, jonka jälkeen tarkastellaan kiinteän väriaineen mahdollistamia ratkaisuja ja niiden toimintaperiaatetta. Seuraavassa luvussa käydään läpi värihöyrystimen kehityskaari sekä nykyinen laitteisto kaaviokuvineen. Samalla esitetään myös suoritetut kalibraatiotoimenpiteet sekä lämpö- että paksuusmittarille, ja kuvataan värin höyrystysprosessi. Näytteenvalmistus- ja tarvittavat litografiaprosessit käydään läpi eri näytetyypeille ja käytetyt mittausjärjestelyt kytkentäkaavioineen ja laitteistoineen kuvataan. Absorptiospektrien avulla varmistettiin, että väriaine höyrystyy näytteelle. Kiinteän värin spektriä myös verrattiin nesteeseen liuotettuun väriin. Emissiospektrien mittauksella todennettiin, että väri selviää höyrystysprosessista ja on täten vielä aktiivista. Näytteet osoittivat myös valosähköisiä ominaisuuksia. Värjättyjen näytteiden johtavuus parani, kun niitä valaistiin. Vaikutuksen voimakkuus korreloi näytteen absorptiospektrin kanssa. Myös hystereesisefekti oli huomattavissa: tasajännitepyyhkäisyn (negatiivisesta positiiviseen) tuloksena näytteen vastus kasvoi mikä huomattiin takaisin pyyhkäisyn aikana. Vaikutus kuitenkin pystyttiin tuhoamaan nopeasti tarpeeksi suurella negatiivisella jännitteellä. Höyrystysmetodi todettiin toimivaksi ratkaisuksi ja täten värjääminen voidaan ottaa osaksi litografiaprosessia. Tämä mahdollistaa väriherkistetyt mikro- ja nanorakenteet jotka omaavat edellä kuvatun kaltaisia valosähköisiä ominaisuuksia. Projekti tehtiin yhteistyössä Jyväskylän yliopiston professori Jouko Korppi-Tommolan fysikaalisen kemian ryhmän kanssa.

Dye-sensitized solar cells (DSSC) have been investigated widely in last two decades and the research work has led to good results. Nowadays DSSCs are relatively efficient, but a problem is the long term stability and manufacturing. These dyes used in DSSCs would also give multiple possibilities to nanoapplications, but the typical sensitization method, soaking in solution, doesn’t work with nanofabrication. However increasing interest towards the molecular engineering has already developed different kind of molecule deposition methods. Anyway, these methods being relatively simple, don’t suit mass production and don’t allow to control the deposited layer thickness. The main objective of this thesis was the development a vacuum evaporation method for deposition of dye sensitizer molecules on PMMA-masked metal-oxide structures. This was done in high vacuum conditions where dye was sublimated in heated crucible at temperature range 145-160 C forming a gaseous jet of molecules from the evaporation chamber into the pumped target chamber. Thickness of the deposited dye layer was controlled by the crystal deposition controller that was calibrated with the AFM. Dye deposition were applied to TiO2 and FTO based components that showed spectral response according to the dye absorption spectra. Photo-electric properties of these components were also measured. Illumination affected the samples during the AC and DC measurements by reducing their resistance. The effect was found to be wavelength dependent and corresponding to the absorption spectrum of the samples. The method proved to be usable method for integration of dye sensitizers to conventional lithographical fabrication in order to develop dye based light sensitive micro and nano sized electronics. Research of these new possible structures can give us an information about dye-oxide interactions which could benefit the development of DSSCs. They could also provide knowledge of the spectra of the pure dye without any solvent, quantum effects in dye and maybe even serve as a single photon detector. This project was done in collaboration with Prof. Jouko Korppi-Tommola’s group from the department of Chemistry of the University of Jyväskylä. A confocal microscope was operated by Teemu Ihalainen from the department of Biological and Environmental Science of the University of Jyväskylä.