Μελέτη οργανικών ηλιακών κυψελίδων με φασματοσκοπία Raman και φασματοσκοπία ηλεκτροχημικής εμπέδησης

Abstract

In this work we produced and studied two of the basic components of a solar cell: the TiO₂ film and the counter electrode. TiO₂ was produced by the Surfactant Assisted Templating Method (SATM) which is a modified sol-gel method. We followed two synthetic paths. In the first one, we used hexadecylamine as surfactant and in the second one we used laurilamine. The progress of the reactions was monitored with XRD and Raman spectroscopy. The TiO₂ of the first synthetic path was mixed with water in order to produce a paste suitable for overlaying. The paste was overlaid on conduct glass with doctor blade technique. The films that were produced were then annieled and characterized by Raman spectroscopy, XRD, SEM, TEM and AFM. The BET area was estimated by nitrogen absorption-desorption isotherm. The anneled films were dye-sensitized and were incorporated as the active photoelectrode in solar cell configuration. The efficiency of dye-sensitized soar cells was improved with the deposition of a second layer of paste on TiO₂ films. We proved that annealing temperature does not play a major role on the final efficiency of the cell. The TiO₂ of the first synthetic path was used for the production of a paste suitable for deposition by screen-printing technique. In order to compare screen-printing and doctor blade techniques, we deposited the paste by both ways. The films were characterized with Raman spectroscopy, XRD, SEM, TEM and HRTEM. The BET area was estimated by nitrogen absorption-desorption isotherm. After annealing and dye-sensitization, all films were used in solar cell configuration. It was revealed that between films of the same thickness, those which were deposited by screen-printing technique gave higher efficiencies than those which were deposited by doctor blade technique. Further attempts were made in order to improve the cells’ efficiency with the use of scattering layer and TiCl₄. The result was the increase of the efficiency (final value of about 6%). The ascertainments were made after I-V measurements. The cells were further characterized with the use of IMPS, IMVS and EIS spectroscopy. The TiO₂ of the second synthetic path was turned into a paste with the desirable flow and then was deposited on conduct glass by doctor blade technique. After anneaing, the resulted films were characterized by XRD, Raman and HRTEM. The BET area was estimated by nitrogen absorption-desorption isotherm. The next step was the dye-sensitization of films and their use in cells’ configuration. In order to improve the cells’ efficiency, we deposited multiple layers of the paste on conduct glass, we used scattering layer and TiCl₄. The film that gave the best efficiency (7.4%) was the one consisted of seven layers with an extra layer of TiCl₄ over them. Finally, we produced Pt counter electrodes by thermal decomposition of H₂PtCl₆. The deposition was made by spin-coating technique. We studied the effect of H₂PtCl₆ concentration, the effect of temperature and duration of annealing and the effect of multiple layers. The DSCs constructed with the use of all Pt counter electrodes had similar efficiencies; a fact which probably shows that the counter electrode does not play the major role on DSCs’ efficiency.

Στην εργασία αυτή παρασκευάστηκαν και μελετήθηκαν εκτενώς δύο από τα βασικά συστατικά μιας ευαισθητοποιημένης φωτοηλεκτροχημικής κυψελίδας: το νανοκρυσταλλικό υμένιο του TiO₂ και το αντίθετο ηλεκτρόδιο. Η νανοδομημένη τιτανία παρασκευάστηκε με τη μέθοδο SATM (Surfactant Assisted Templating Method) η οποία είναι μια τροποποιημένη sol-gel μέθοδος υποβοηθούμενη από επιφανειοδραστική ουσία. Πραγματοποιήθηκαν δύο συνθέσεις. Στην πρώτη χρησιμοποιήθηκε δεκαεξυλαμίνη ως επιφανειοδραστικό και στην δεύτερη λαυριλαμίνη. Η πορεία των αντιδράσεων παρακολουθήθηκε με XRD (Περίθλαση Ακτίνων-Χ) και φασματοσκοπία Raman. Η νανοδομημένη τιτανία που προέκυψε από την πρώτη σύνθεση (με χρήση δεκαεξυλαμίνης) μετατράπηκε με τη χρήση υδατικού μέσου σε πάστα κατάλληλη για επίστρωση. Υμένια επιστρώθηκαν με την τεχνική doctor-blade και ύστερα από τη θερμική τους κατεργασία χαρακτηρίστηκαν με φασματοσκοπία Raman, XRD, SEM, TEM, AFM και ποροσιμετρία. Έπειτα από την ευαισθητοποίηση τους, τα υμένια χρησιμοποιήθηκαν σε κυψελίδες. Οι αποδόσεις των κυψελίδων βελτιώθηκαν με την επίστρωση δύο στρώσεων πάστας. Η θερμοκρασία κατεργασίας των υμενίων αποδείχτηκε ότι δεν έχει σημαντική επίδραση στην τελική απόδοση της κυψελίδας. Η νανοδομημένη τιτανία της πρώτης σύνθεσης (με χρήση δεκαεξυλαμίνης) μετατράπηκε στη συνέχεια με τη χρήση τερπινεόλης και αίθυλο-κυτταρίνης σε πάστα κατάλληλη για επίστρωση με την τεχνική screen-printing, ενώ για λόγους σύγκρισης η πάστα αυτή επιστρώθηκε σε υμένια χρησιμοποιώντας και την τεχνική doctor-blade. Τα υμένια χαρακτηρίστηκαν με φασματοσκοπία Raman, XRD, SEM, TEM, HRTEM και ποροσιμετρία Η εφαρμογή τους σε κυψελίδες οδήγησε στο συμπέρασμα ότι για υμένια ίδιου πάχους, καλύτερες αποδόσεις δίνουν αυτά που επιστρώθηκαν με την τεχνική screen-printing σε σχέση με αυτά που επιστρώθηκαν με την κλασσική τεχνική doctorblade. Περαιτέρω προσπάθειες που έγιναν με τη χρήση στρώματος αποτελούμενου από σωματιδία TiO₂ μεγαλύτερου μεγέθους ώστε να προκαλούν σκέδαση του φωτός (scattering layer) και TiCl₄, οδήγησε σε βελτίωση των αποδόσεων και τιμές της τάξεως του 6%. Όλες οι διαπιστώσεις προέκυψαν ύστερα από μετρήσεις I-V και οι κυψελίδες χαρακτηρίστηκαν περαιτέρω με τη χρήση των φασματοσκοπιών IMPS, IMVS και EIS. Η νανοδομημένη τιτανία της δεύτερης σύνθεσης (με χρήση λαυριλαμίνης), μετατράπηκε σε πάστα με κατάλληλα ρεολογικά χαρακτηριστικά και επιστρώθηκε σε μορφή λεπτών υμενίων με την τεχνική doctor-blade.Τα υμένια ύστερα από τη θερμική τους κατεργασία χαρακτηρίστηκαν με XRD, Raman, HRTEM και ποροσιμετρία. Ακολούθησε ευαισθητοποίηση και χρήση τους σε κυψελίδες. Για την ενίσχυση της απόδοσης εφαρμόστηκαν πολλαπλές στρώσεις, ενώ έγινε και χρήση scattering layer και TiCl₄. Βέλτιστη απόδοση (7.4%) έδωσε το υμένιο των επτά στρώσεων που έφερε TiCl₄. Τέλος, παρασκευάστηκαν αντι-ηλεκτρόδια Pt με θερμική διάσπαση H₂PtCl₆, ενώ η εναπόθεση έγινε με την τεχνική spin-coating. Μελετήθηκαν η επίδραση της συγκέντρωσης του H₂PtCl₆, της θερμοκρασίας κατεργασίας, της χρονικής διάρκειας της θερμικής κατεργασίας και του αριθμού των στρώσεων. Οι κυψελίδες που κατασκευάστηκαν με όλα τα αντι-ηλεκτρόδια Pt είχαν παραπλήσιες αποδόσεις, γεγονός που ίσως σημαίνει πως το αντι-ηλεκτρόδιο δεν παίζει καθοριστικό ρόλο στην απόδοση των κυψελίδων.