Νανοδομημένα και πολυμερή υλικά για εφαρμογή σε ηλιακές κυψελίδες και φωτο-ηλεκτροχρωμικές διατάξεις

Abstract

The ever-increasing global energy demand leads to the depletion of natural resources, to environmental pollution and to climate change. It is now imperative to shift to renewable energy, with solar energy playing a leading role. Of particular interest is the utilization of photovoltaic devices (PV), which convert solar energy directly to electricity. This PhD thesis studies materials for 3rd generation PVs and specifically for Bulk Heterojunction Organic Solar Cells, (BHJ Organic Solar Cells). The optimization of the BHJ organic solar cells is directly related to the development of new materials to be used as electron donors or acceptors in the active layer of the solar cell. The present study is focused on the electrochemical characterization of polymeric donors or acceptors using the technique of cyclic voltammetry (CV). The Highest Occupied Molecular Orbital (HOMO), the Lowest Unoccupied Molecular Orbital (LUMO) and the electrochemical energy gap (Eg) of polymeric electron donors or acceptors were determined by the aforementioned technique. Knowing HOMO, LUMO and Eg is important information, as it allows conclusions to be drawn on whether the combination of the various studied electron donor or acceptors is energy-favorable and facilitates the design of an efficient BHJ solar cell. Energy savings are also of paramount importance in addressing the energy issue. Today, at the center of scientific research on energy saving is the reduction in energy consumption in the building sector. For this purpose, electrochromic devices ("smart windows") and photo-electrochromic devices are used. Photo-electrochromic devices are electrochromic devices incorporating Dye Sensitized Solar Cells (DSSCs), capable of autonomous operation. Research in the field of photo-electrochromics is at an early stage. The photoelectrochromic devices that have been developed so far have several problems, namely, low photovoltaic efficiencies, low color contrast and stability problems. It is therefore imperative to optimize them. Part of this PhD thesis is the substitution of the ruthenium dye complexes N719, which was used in the sensitization of the DSSCs of the photoelectrochromic devices, with organic pigments that bind to titanium dioxide through perfluorophenyl groups. During the optimization process of photoelectrochromic devices, intervention was attempted in the electrolyte.The liquid electrolyte was replaced by gel electrolytes obtained by adding polymers of polymethyl methacrylate (PMMA) and poly-ethylene- oxide (PEO) to the liquid electrolyte. Initially, the effect of the PMMA content on the electrolyte was studied. It was also examined which of the two polymers (PMMA or PEO) was the ideal candidate for gelatinization of the electrolyte. The stability of the devices was investigated with long-term experiments. A study of the operation of photoelectrochromic devices under real conditions was performed. A remarkable increase of durability of the photovoltaic cells has been observed for operation under real conditions, as compared to liquid electrolyte devices.Finally, the redox couple I-/I-3 of the liquid electrolyte was replaced with that of Co2 +/Co3 +. Photoelectrochromic devices were constructed and the effect of Co2+/Co3+ on the loss mechanism at the WO3/electrolyte interface was studied.

Οι αυξανόμενες ενεργειακές απαιτήσεις έχουν ως αποτέλεσμα την εξάντληση των φυσικών πόρων, τη ρύπανση του περιβάλλοντος και την κλιματική αλλαγή. Συνεπώς είναι αναγκαία η στροφή στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, με την ηλιακή ενέργεια να διαδραματίζει πρωταγωνιστικό ρόλο. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας μέσω των φωτοβολταϊκών διατάξεων, που την μετατρέπουν σε ηλεκτρική. Η παρούσα διδακτορική διατριβή μελετά υλικά για φωτοβολταϊκά 3ης γενιάς και συγκεκριμένα για οργανικές ηλιακές κυψελίδες διεσπαρμένης ετεροεπαφής. Η βελτιστοποίηση αυτών των οργανικών ηλιακών κυψελίδων, συνδέεται άμεσα με την ανάπτυξη νέων υλικών που θα χρησιμοποιηθούν ως δότες ή δέκτες ηλεκτρονίων στο ενεργό στρώμα των κυψελίδων. Η παρούσα έρευνα επικεντρώθηκε στον ηλεκτροχημικό χαρακτηρισμό πολυμερικών δοτών ή δεκτών ηλεκτρονίων χρησιμοποιώντας την τεχνική της κυκλικής βολταμμετρίας με την οποία προσδιορίστηκαν τα ανώτατα κατειλημμένα μοριακά τροχιακά (HOMO), τα κατώτατα μη κατειλημμένα μοριακά τροχιακά (LUMO) και το ηλεκτροχημικό ενεργειακό χάσμα Εg. Η γνώση αυτών επιτρέπει την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με το αν ευνοείται ενεργειακά ο συνδυασμός των διαφόρων υπό μελέτη δοτών ή δεκτών ηλεκτρονίων και διευκολύνει τον σχεδιασμό μιας αποδοτικής οργανικής ηλιακής κυψελίδας.Η εξοικονόμηση ενέργειας έχει κεφαλαιώδη σημασία στην αντιμετώπιση του ενεργειακού ζητήματος. Στο κέντρο της επιστημονικής έρευνας βρίσκεται η μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης στον κτηριακό τομέα. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται οι ηλεκτροχρωμικές διατάξεις («έξυπνα παράθυρα») και οι φωτο-ηλεκτροχρωμικές διατάξεις, δηλαδή ηλεκτροχρωμικές διατάξεις στις οποίες έχουν ενσωματωθεί ευαισθητοποιημένες φωτοβολταϊκές κυψελίδες (Dye Sensitized Solar Cells, DSSCs), με αποτέλεσμα να μπορούν να λειτουργούν αυτόνομα. Η έρευνα στον τομέα των φωτο-ηλεκτροχρωμικών βρίσκεται σε πρώιμο στάδιο. Οι φωτο-ηλεκτροχρωμικές διατάξεις που έχουν αναπτυχθεί μέχρι τώρα παρουσιάζουν αρκετά προβλήματα, τα οποία εστιάζονται στις μικρές φωτοβολταϊκές αποδόσεις, την μικρή αντίθεση χρωματισμού καθώς και προβλήματα σταθερότητας για λειτουργία υπό πραγματικές συνθήκες. Επομένως είναι επιτακτική η βελτιστοποίηση τους. Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής έρευνας, εξετάστηκε η αντικατάσταση της χρωστικής συμπλόκων ρουθηνίου Ν719, που χρησιμοποιήθηκε στην ευαισθητοποίηση των DSSCs των φωτο-ηλεκτροχρωμικών διατάξεων, με οργανικές χρωστικές που προσδένονται στο διοξείδιο του τιτανίου μέσω ομάδων υπερφθοροφαινυλίου. Στα πλαίσια βελτιστοποίησης των φωτο-ηλεκτροχρωμικών διατάξεων, επιχειρήθηκε παρέμβαση στον ηλεκτρολύτη. O υγρός ηλεκτρολύτης αντικαταστάθηκε από ηλεκτρολύτες γέλης που προέκυψαν με την προσθήκη των πολυμερών poly-methyl-methacrylate (PMMA) και poly-ethylene oxide (PEO) στον υγρό ηλεκτρολύτη. Mελετήθηκε η επίδραση της %w/w περιεκτικότητας και του μοριακού βάρους του πρόσθετου PMMA στον ηλεκτρολύτη, στα οπτικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των διατάξεων. Επίσης εξετάστηκε ποιο από τα δύο πολυμερή αποτελεί ιδανικότερο υποψήφιο για τη ζελατινοποίηση του ηλεκτρολύτη. Ακόμη διερευνήθηκε η αντοχή και η σταθερότητα των διατάξεων με πειράματα μακρού χρόνου. Πραγματοποιήθηκε μελέτη της λειτουργίας των φωτο-ηλεκτροχρωμικών διατάξεων υπό πραγματικές συνθήκες. Αξιοσημείωτη ήταν η αύξηση της διάρκειας ζωής των διατάξεων αυτών σε σύγκριση με αυτή των διατάξεων υγρού ηλεκτρολύτη. Τέλος αντικαταστάθηκε το οξειδοαναγωγικό ζεύγος I-/I-3 του υγρού ηλεκτρολύτη με αυτό του Co2+/Co3+. Κατασκευάστηκαν φωτο-ηλεκτροχρωμικές διατάξεις και διαπιστώθηκε η επίδραση του Co2+/Co3+ στο μηχανισμό απωλειών στη διεπιφάνεια WO3/ηλεκτρολύτη.