Πειραματική μελέτη φωτοευαισθητοποιημένων ηλιακών κυψελίδων με νανοράβδους ZnO
Loading...
Date
Authors
Στέφα, Σοφία
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Οι ευαισθητοποιημένες ηλιακές κυψελίδες (DSSC) ανήκουν στην τρίτη γενιά φωτοβολταϊκών συστημάτων και αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη λύση για την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας, με απόδοση που φτάνει σχεδόν το 12%. Το υμένιο ανόδου μιας τέτοιας κυψελίδας αποτελείται από ένα νανοδομημένο υμένιο οξειδίου μετάλλου, ευαισθητοποιημένο με μια κατάλληλη χρωστική ουσία για την απορρόφηση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας, κυρίως στην περιοχή του ορατού και του εγγύς υπερύθρου του ηλιακού φάσματος. Η μεγάλη εσωτερική επιφάνεια, οι καλές ηλεκτρικές ιδιότητες και η χημική σταθερότητα αποτελούν προϋποθέσεις για μια αποτελεσματική άνοδο.
Συνήθως, ως άνοδος χρησιμοποιείται υμένιο νανοσωματιδίων TiO2 με πάχος λίγων μm ευαισθητοποιημένο με χρωστική ένα σύμπλοκο του ρουθηνίου, όπως η N719. Το οξείδιο του ψευδαργύρου (ZnO) είναι μια κατάλληλη εναλλακτική λύση καθώς μπορεί να συντεθεί ελεγχόμενα σε διάφορες νανοδομές όπως αυτή των συστοιχιών νανονημάτων (nanowires, NWs), σε αγώγιμα υποστρώματα. Η συγκεκριμένη μορφολογία των NWs διευκολύνει την μεταφορά των ηλεκτρονίων στο ηλεκτρόδιο συλλογής λόγω της απουσίας ατελειών και επιπλέον παρέχει μεγάλη εσωτερική επιφάνεια για την προσρόφηση των μορίων της χρωστικής.
Παρά τα προαναφερθέντα πλεονεκτήματα των συστοιχιών νανονημάτων του ZnO, η απόδοση των DSSCs με υμένιο ανόδου αυτής της μορφολογίας είναι σημαντικά χαμηλότερη από την αντίστοιχη κυψελλίδων με βάση το TiO2. Ο κύριος λόγος είναι η χημική αστάθεια των ZnO NWs κατά την εμβάπτιση τους στο διάλυμα χρωστικής (ευαισθητοποίηση). Όταν το υμένιο ZnO ευαισθητοποιείται σε χρωστική Ν719 προκαλείται η διάλυση των επιφανειακών ατόμων Zn του υμενίου στο διάλυμα της χρωστικής και σχηματίζονται σύμπλοκα Zn+2/χρωστικής στους πόρους του υμενίου ZnO. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την δημιουργία ενός "φίλτρου" από ανενεργά μόρια χρωστικής που επηρεάζουν αρνητικά τη συνολική απόδοση της ευαισθητοποιημένης ηλιακής κυψελίδας.
Προκειμένου να ξεπεραστούν οι παραπάνω περιορισμοί, θα πρέπει να διερευνηθούν διάφορες παράμετροι κατά τη διαδικασία της ευαισθητοποίησης, όπως η σύνθεση και η συγκέντρωση της χρωστικής, το pH του διαλύματος της χρωστικής καθώς και ο χρόνος εμβάπτισης του υμενίου στο διάλυμα αυτό. Στην παρούσα μελέτη, ελέγχεται η επίδραση του pH του διαλύματος της χρωστικής και του χρόνου ευαισθητοποίησης στην διαδικασία πρόσδεσης της χρωστικής. Στο πλαίσιο της βελτιστοποίησης των διαδικασιών παρασκευής των ευαισθητοποιημένων κυψελίδων και της κατανόησης των μηχανισμών πρόσδεσης της χρωστικής στην επιφάνεια του υμενίου ανόδου, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις απορρόφησης σε διαλύματα χρωστικής τα οποία ευαισθητοποιήθηκαν σε διαφορετικούς χρόνους εμποτισμού και σε διαφορετικές τιμές pH του διαλύματος της χρωστικής χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία UV-Vis. Κατασκευάστηκαν κυψελίδες για διάφορες τιμές των παραπάνω παραμέτρων ευαισθητοποίησης και αξιολογήθηκαν οι αποδόσεις του με την καταγραφή καμπύλων J-V με τη χρήση ενός ηλιακού προσομοιωτή Oriel 96000
6
εφοδιασμένου με φίλτρο AM 1.5G. Επιπλέον, για τον έλεγχο της συσσωμάτωσης του διαλύματος της χρωστικής πριν την ευαισθητοποίηση πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις δυναμικής σκέδασης φωτός (DLS).
Συνοπτικά, διαπιστώθηκε ότι η προσρόφηση της χρωστικής στην επιφάνεια των νανοράβδων ZnO εξαρτάται περισσότερο από την τιμή του pH και λιγότερο από τον χρόνο ευαισθητοποίησης. Επιπλέον, η υψηλή προσροφημένη ποσότητα χρωστικής δεν αποτελεί προϋπόθεση για την επίτευξη υψηλής απόδοσης. Η μεγαλύτερη τιμή της απόδοσης δόθηκε από κυψελίδα με ευαισθητοποιημένο υμένιο ανόδου σε διάλυμα χρωστικής με pH = 4.7 για χρόνο εμβάπτισης 5 λεπτά και ήταν της τάξεως 1.23%. Συνεπώς, η ευαισθητοποίηση σε όξινο περιβάλλον χρωστικής είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος να μειωθεί ο χρόνος ευαισθητοποίησης. Τέλος, πειράματα με Δυναμική Σκέδαση Φωτός παρατηρήθηκε η ύπαρξη συσσωματωμάτων των μορίων της χρωστικής ακόμα και πριν την διαδικασία ευαισθητοποίησης, τα μεγέθη των οποίων εξαρτώνται από το pH του διαλύματος.
Description
Keywords
Ευαισθητοποιημένες ηλιακές κυψελίδες, Νανοράβδοι ZnO