Investigation and optimization of dye-sensitized solar cells, under variable lighting conditions

Abstract

The aim of this dissertation is the optimization of devices based on semiconductorsfor energy production under low intensity visible artificial light while maintaining orenhancing their performance under solar light. This investigation is focused onphotovoltaic power generation with Dye Sensitized Solar Cells (DSSCs), specificallyon the optimization of its components with the aim of good performance, under bothsimulated solar light and artificial indoor light (tube lamps of 100-1000 lux intensity).The introductory chapter contains a presentation of the recent advances in the area ofindoor photovoltaics operation, focusing on both lab scale experiments and industrialapplications and highlighting the suitability of DSSCs for indoor operation and theintroduction of the “panillumination” perspective for universal devices, that are ableto maintain their performance during radical changes in their lighting environment.Furthermore, an introduction into DSSCs and their components of interest for thisdissertation, is presented. After a description of the experimental details of thisdissertation, the results are presented. In the second chapter, the electrolyte is thetarget component for DSSC optimization: a universal I-/I3- redox electrolyte solutionfor well performing DSSCs under both indoor and outdoor lighting conditions, ispresented and characterized. Electrolyte attributes, including color and mass transportproperties, have been tailored and a good synergy between triiodide content, organicsolvent mixture and additives in the electrolyte has been achieved, allowing DSSCadaptability under different lighting types and illumination intensities. The optical andredox properties were evaluated and the electrolyte was tested in DSSCs underdifferent illumination conditions: simulated solar light (from 0.1 to 1 sun) and indoorlight (from 100 to 1000 lux). Under indoor lighting, the electrolyte leads to powerconversion efficiency (PCE) values close to the ones for the best performing iodidebased devices reported in the literature. Moreover, significantly superior performance, along with a constantly high fill factor was achieved under 100 mW/cm2 simulated solar light.In the third chapter, the target component for DSSC optimization is the sensitizer,with an absorber-focused study towards solar cell performance under both solar andindoor light sources. A selection of sensitizers were studied in DSSCs under bothsimulated solar (1 sun, 0.1 sun) and indoor fluorescent (200 lux) light sources: Themost important factors regarding sensitizers for a good “pan-illumination”performance under radically different light conditions, were deemed to be thesuppression of recombination followed by the good spectral agreement betweenabsorber and emission source. Poor recombination suppression was found tosignificantly impair performance under low light, even with a great spectralagreement. In the fourth chapter, focus shifts to the air stable Cs2SnI6 perovskite,having favorable structural, optical and transport properties, with a temperaturevariable Raman investigation in order to provide insight to its stability and lattice dynamics. Strong lattice anharmonicity for the chemically stable Cs2SnI6 compoundscan be inferred from the results, which is a key aspect for their performance inoptoelectronic and thermoelectric applications. These materials show excellentstability without no phase change or significant restructuring. Finally, the air-stableCs2SnI6 perovksite is utilized in a quasi-solid DSSC and its performance in evaluatedunder indoor light conditions, leading to a more stable electrolyte alternative forpanillumination DSSCs. Lastly, In the fifth chapter, general conclusions andperspectives on future research are presented.

Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η βελτιστοποίηση συστημάτωνπου βασίζονται σε ημιαγωγούς για παραγωγή ενέργειας κάτω από ορατό τεχνητό φωςχαμηλής έντασης με παράλληλη διατήρηση ή ενίσχυση της απόδοσής τους κάτω απόηλιακό φως. Αυτή η έρευνα επικεντρώνεται στην παραγωγή φωτοβολταϊκήςενέργειας απο φωτοευαισθητοποιημένα ηλιακά κύτταρα (DSSCs) και συγκεκριμέναστη βελτιστοποίηση των επιμέρους στοιχείων τους με στόχο την καλή απόδοση, τόσουπό προσομοιωμένο ηλιακό φως όσο και υπό τεχνητό φως εσωτερικού χώρου(σωληνοειδείς λαμπτήρες έντασης 100-1000 lux).Το εισαγωγικό κεφάλαιο περιέχει μια παρουσίαση της πρόσφατης προόδου στοντομέα των φωτοβολταϊκών εσωτερικών χώρων, εστιάζοντας τόσο σε πειράματαεργαστηριακής κλίμακας όσο και σε βιομηχανικές εφαρμογές και υπογραμμίζονταςτην καταλληλότητα των DSSC για λειτουργία σε εσωτερικούς χώρους καιεισάγωντας την προοπτικής “panillumination” για συσκευές που είναι σε θέση ναδιατηρήσουν την απόδοσή τους κατά τη διάρκεια ριζικών αλλαγών στο περιβάλλονφωτισμού τους. Επιπλέον, παρουσιάζεται μια εισαγωγή στα DSSCs και σταεπιμέρους κομμάτια τους, στα οποία εστιάζεται αυτή τη διατριβή. Μετα από μιαπεριγραφή των πειραματικών μεθόδων που εφαρμόστηκαν στην διατριβή,παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα. Στο δεύτερο κεφάλαιο, οηλεκτρολύτης είναι ο στόχο για τη βελτιστοποίηση DSSC: παρουσιάζεται καιχαρακτηρίζεται ένα διάλυμα ηλεκτρολύτη οξειδοαναγωγής I-/I3- για καλές επιδόσειςDSSC τόσο σε συνθήκες εσωτερικού όσο και σε εξωτερικού φωτισμού. Ταχαρακτηριστικά του ηλεκτρολύτη, συμπεριλαμβανομένων των ιδιοτήτων χρώματοςκαι μεταφοράς μάζας, έχουν προσαρμοστεί και έχει επιτευχθεί μια καλή συνέργειαμεταξύ της περιεκτικότητας σε τριιωδίδιο, του μείγματος οργανικών διαλυτών καιτων προσθέτων στον ηλεκτρολύτη, επιτρέποντας την προσαρμοστικότητα DSSC σεδιαφορετικούς τύπους φωτισμού και εντάσεις φωτισμού. Οι οπτικές καιοξειδοαναγωγικές ιδιότητες αξιολογήθηκαν και ο ηλεκτρολύτης δοκιμάστηκε σεDSSC υπό διαφορετικές συνθήκες φωτισμού: προσομοιωμένο ηλιακό φως (από 0,1 έως 1 ήλιο) και φως εσωτερικού χώρου (από 100 έως 1000 lux). Κάτω από φωτισμόεσωτερικού χώρου, ο ηλεκτρολύτης οδηγεί σε τιμές απόδοσης μετατροπής ισχύος (PCE) κοντά σε αυτές για τα κελιά με βάση το ιώδιο με την καλύτερη απόδοση, που αναφέρονται στη βιβλιογραφία. Επιπλέον, σημαντικά ανώτερη απόδοση, μαζί με έναν συνεχώς υψηλό συντελεστή πλήρωσης (fill factor), επιτεύχθηκε υπό προσομοιωμένοηλιακό φως (100 mW/cm2).Στο τρίτο κεφάλαιο, το στοιχείο για τη βελτιστοποίηση DSSC είναι οευαισθητοποιητής (χρωστική), με μια μελέτη εστιασμένη σε χρωστικές για τηναπόδοση των ηλιακών κυψελών τόσο σε ηλιακό φως όσο και σε εσωτερικές πηγέςφωτισμού. Οι χρωστικές μελετήθηκαν σε DSSC υπό ηλιακό φως (1 ήλιος, 0,1 ήλιος)και υπο τεχνητή πηγή φωτός (200 lux): Οι πιο σημαντικοί παράγοντες όσον αφοράτους ευαισθητοποιητές για μια καλή απόδοση "panillumimation" κάτω από ριζικάδιαφορετικες συνθήκες φωτισμού, βρέθηκαν ότι είναι η καταστολή τηςεπανασύνδεσης φορέων και η καλή φασματική συμφωνία μεταξύ απορροφητή καιπηγής εκπομπής φωτος. Η χαμηλή αντίσταση στην επανασύνδεση βρέθηκε ναβλάπτει σημαντικά την απόδοση υπό χαμηλό φωτισμό, ακόμη και με μεγάληφασματική συμφωνία. Στο τέταρτο κεφάλαιο, η μελέτη περνά στους Cs2SnI6 περοβσκίτες, που είναι σταθεροί στον αέρα, με ευνοϊκές δομικές, οπτικές καιμεταφορικές ιδιότητες. Πραγματοποιείται μελέτη Raman με μεταβαλλόμενεςθερμοκρασίες για την μελετη της σταθερότητας τους και της δυναμικής τουπλέγματος τους. Η ισχυρή αναρμονικότητα του πλέγματος για τις χημικά σταθερέςενώσεις Cs2SnΙ6 μπορεί να συναχθεί από τα αποτελέσματα, η οποία είναι μια βασικήπτυχή για την απόδοσή τους σε οπτοηλεκτρονικές και θερμοηλεκτρικές εφαρμογές.Αυτά τα υλικά παρουσιάζουν εξαιρετική σταθερότητα χωρίς καμία αλλαγή φάσης ήσημαντική αναδιάρθρωση. Τέλος, o σταθερός περοβσκιτης Cs2SnI6 χρησιμοποιείται σε έναν ημι-στερεό DSSC και η απόδοσή του αξιολογείται υπό συνθήκες φωτισμούεσωτερικού χώρου, οδηγώντας σε εναν πιο σταθερό εναλλακτικό ηλεκτρολύτη γιαDSSC πανφωτισμού. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται γενικάσυμπεράσματα και προοπτικές για μελλοντική έρευνα.