Ανάπτυξη και βελτιστοποίηση ευαισθητοποιημένων ηλιακών κυψελίδων νανοκρυσταλλικής τιτανίας

Abstract

In the frame of this thesis, the preparation and optimization of nanocrystalline films based on titanium dioxide was realized. The main purpose was to use these films as working electrodes in a dye-sensitized solar cell (DSC). Initially, the investigation was focused on the role playing the final temperature treatment both in morphology and surface characteristics as well as in the photovoltaic behavior of films prepared using with the doctor blade technique. In particular, the effect of the treatment duration was studied and it was confirmed that a thermal treatment during more than 60 min didn’t affect the characteristics of the films. However it was further found that the role of final temperature is more crucial. It was established that the optimum treatment temperature value was 550 oC, since the films annealed at this temperature gave the best efficiency when incorporated as working electrodes in DSC. In particular, it was found that this temperature is necessary for the sintering of the TiO2 nanoparticles, resulting in films that gave the highest power conversion efficiencies, even though they did not adsorb the largest amount of dye. This has been attributed to the longest lifetimes, and the highest diffusion coefficients. At the optimum temperature of 550 ° C, the films prepared have an overall total power conversion efficiency of 6.4% (15% more than in any other temperature investigated). In the second part of the thesis an attempt was made to prepare composite titania films consisting of many sub-layers and investigate the characteristics of new titania materials having different properties. Thus, films with successive layers were prepared, in addition to the basic layer of titanium dioxide, containing a layer of large particles of TiO2 with the ability to scatter light (scattering layer) and a layer capable of improving the electrical properties of films (compact layer). Having found the optimal stratification between the three different layers, the optoelectronic properties and photovoltaic characteristics of the films as-prepared films were studied. It was then found, that the scattering layer increases the amount of dye adsorbed on the film but also increases the ability to scatter the incident photons. Unlikely, the compact layer increases the lifetime of the generated electrons and their corresponding diffusion coefficients. In this way, composite films were prepared, which gave a power conversion efficiency as high as 8%, a value highly competitive with literature results. Finally the preparation of the films based on a fully automated technique, i.e. the screen printing technique was investigated. This technique allows the manufacture of films with fully reproductible way, since the whole deposition process is carried out in a mechanical way. Two commercially available pastes that give films with different optical characteristics (transparent and opaque) were studied and the maximum number that can be deposited was defined in order to gain the maximum conversion efficiency. Then, additional layers above were deposited and composite films with an overall conversion efficiency of about 7% were prepared.

Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής επιχειρήθηκε η παρασκευή, αλλά και η βελτιστοποίηση υμενίων νανοκρυσταλλικής τιτανίας, έτσι ώστε να μπορούν τα υμένια αυτά να χρησιμοποιηθούν ως φωτοηλεκτρόδια σε ευαισθητοποιημένες ηλιακές κυψελίδες. Αρχικά πραγματοποιήθηκε η μελέτη του ρόλου της τελικής θερμοκρασίας κατεργασίας τόσο στα μορφολογικά και επιφανειακά χαρακτηριστικά, όσο και στην φωτοβολταϊκή συμπεριφορά υμενίων νανοκρυσταλλικής τιτανίας που παρασκευάζονται με την τεχνική doctor blade. Ειδικότερα, μελετήθηκε η επίδραση του χρόνου κατεργασίας στην ίδια τελική θερμοκρασία και βρέθηκε ότι κατεργασία διάρκειας μεγαλύτερης από 60 min δεν μεταβάλλει σημαντικά τα χαρακτηριστικά των υμενίων. Αντίθετα η τιμή της τελικής θερμοκρασίας είναι ιδιαίτερα κρίσιμη. Βρέθηκε ότι η βέλτιστη θερμοκρασία κατεργασίας αντιστοιχεί στους 550 οC καθώς σε αυτή την θερμοκρασία τα υμένια που παρασκευάζονται δίνουν τα καλύτερα αποτελέσματα όταν ενσωματωθούν ως ηλεκτρόδια εργασίας σε φωτοηλεκτροχημικές κυψελίδες. Πιο συγκεκριμένα, βρέθηκε ότι σε αυτή την θερμοκρασία λαμβάνει χώρα καλύτερη πυροσυσσωμάτωση των νανοσωματιδίων της τιτανίας με αποτέλεσμα τα αντίστοιχα υμένια αν και δεν προσροφούν μεγαλύτερη ποσότητα χρωστικής, δίνουν τις μεγαλύτερες αποδόσεις μετατροπής ισχύος. Αυτό συμβαίνει καθώς όπως διαπιστώθηκε από περαιτέρω ηλεκτρικές μελέτες, τα παραγόμενα ηλεκτρόνια σε αυτή τη θερμοκρασία εμφανίζουν τους μεγαλύτερους χρόνους ζωής καθώς και τους μεγαλύτερους συντελεστές διάχυσης. Έτσι καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι η βέλτιστη θερμοκρασία κατεργασίας είναι οι 550 οC, όπου τα υμένια που παρασκευάστηκαν έδωσαν συνολική απόδοση μετατροπής ισχύος 6,4% (15 % μεγαλύτερη σε σχέση με οποιαδήποτε άλλη θερμοκρασία που μελετήθηκε). Στη συνέχεια μελετήθηκε η διαστρωμάτωση του φωτοηλεκτροδίου και επιχειρήθηκε η παρασκευή υμενίων με περισσότερα από ένα στρώματα, εκμεταλλευόμενοι τα χαρακτηριστικά υλικών με διαφορετικές ιδιότητες σε σχέση με το βασικό στρώμα της τιτανίας. Έτσι παρασκευάστηκαν σύνθετα υμένια με διαδοχικά στρώματα που εκτός από το βασικό στρώμα της τιτανίας περιείχαν ένα στρώμα με μεγάλα σωματίδια διοξειδίου του τιτανίου με αυξημένη ικανότητα σκέδασης του φωτός και ένα συμπαγές στρώμα με ικανότητα βελτίωσης των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των υμενίων. Στα σύνθετα αυτά υμένια μελετήθηκαν τόσο οι οπτοηλεκτρικές ιδιότητες όσο και τα φωτοβολταικά χαρακτηριστικά των αντίστοιχων ηλιακών κυψελίδων. Βρέθηκε ότι το στρώμα σκέδασης αυξάνει την ποσότητα της προσροφημένης χρωστικής πάνω στο υμένιο, ταυτόχρονα με την αύξηση ικανότητας σκέδασης των παραγόμενων φωτονίων. Αντίθετα το συμπαγές στρώμα αυξάνει το χρόνο ζωής των παραγόμενων ηλεκτρονίων καθώς τον συντελεστή διάχυσής τους. Με αυτό τον τρόπο επιτεύχθηκε η παρασκευή υμενίων που δίνουν μία απόδοση μετατροπής ισχύος που φτάνει περίπου το 8 % τιμή αρκετά υψηλή σε σχέση με την βιβλιογραφία. Τέλος μελετήθηκε και η παρασκευή υμενίων με βάση μία πλήρως αυτοματοποιημένη τεχνική, την τεχνική των διάτρητων μητρών (screen printing). Η τεχνική αυτή επιτρέπει την παρασκευή υμενίων με πλήρως επαναλήψιμο και αναπαραγωγίσιμο τρόπο, μιας και όλες οι διεργασίες εναπόθεσης πραγματοποιούνται μηχανικά. Αρχικά πραγματοποιήθηκε η παρασκευή αρχικά υμενίων από εμπορικά διαθέσιμες πάστες. Μελετήθηκαν δύο πάστες που δίνουν υμένια με διαφορετικά οπτικά χαρακτηριστικά (διαφανή και αδιαφανή) και βρέθηκε ο βέλτιστος αριθμός στρωμάτων που μπορεί να εναποτεθεί ώστε να οδηγεί στη μέγιστη απόδοση μετατροπής. Στην συνέχεια εναποτέθηκαν τα δύο προαναφερθέντα στρώματα και τελικά παρασκευάστηκαν σύνθετα υμένια με ολική απόδοση μετατροπής που αγγίζει το 7%.