Πειραματική μελέτη φωτοευαισθητοποιημένων ηλιακών κυψελίδων με νανοράβδους ZnO
| dc.contributor.advisor | Λευθεριώτης, Γεώργιος | |
| dc.contributor.author | Στέφα, Σοφία | |
| dc.contributor.committee | Λευθεριώτης, Γεώργιος | |
| dc.contributor.committee | Γιαννόπουλος, Σπύρος | |
| dc.contributor.committee | Παλίλης, Λεωνίδας | |
| dc.contributor.other | Stefa, Sofia | |
| dc.date.accessioned | 2018-06-08T15:46:20Z | |
| dc.date.available | 2018-06-08T15:46:20Z | |
| dc.date.copyright | 2018-02 | |
| dc.degree | Μεταπτυχιακή Εργασία | el |
| dc.description.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. | el |
| dc.description.translatedabstract | Dye sensitized solar cells (DSSC) belong to the third generation of photovoltaics emerging today as a promising alternative for solar energy conversion, with efficiency reaching nearly 12%. Typically, the anode is a nanostructured film of a wide band semiconductor such as TiO2 or ZnO. The anode is sensitized with an appropriate dye to enhance the limited absorption of the incident solar radiation of the semiconductor in order to include the visible and the part of near-infrared region. High surface area, good electrical properties and chemical stability are prerequisites for an efficient anode. Frequently , the anode material is a nanoparticulate TiO2 film with few microns thickness sensitized with a ruthenium complex dye, such as N719. This configuration offers a high surface area and chemical stability. However, the existence of a huge number of grain boundaries of the nanoparticles-based thin film impedes fast electron transport, leading to loses of carriers through recombination. ZnO is a suitable alternative as it can be controllably grown as nanowire (NW) arrays with centimeter-scale uniformity, on conductive substrates. This vertically grown array of NWs offers a direct pathway of electrons toward the collection electrode, in addition to high surface area, depending on the diameter and the length of the NWs. Despite the aforementioned advantages of NW arrays, the efficiency of DSSCs based on ZnO NWs is still considerably lower than that of TiO2. The main reason is the chemical instability of ZnO NWs during immersion into the dye solution (sensitization). The use of N719 dye causes presumably dissolution of surface Zn atoms of the NWs into the dye solution and the formation of Zn+2/dye complexes in the space between the NWs. Therefore, a "filter" is created from inactive dye molecules which negatively affects the overall performance of the solar cell. To overcome the above limitations, various parameters such as the pH of the dye solution and the soaking time are explored in the current work. Dye loading is estimated using UV-Vis spectroscopy and the efficiency of the resulting DSSCs is measured with the use of a solar simulator. It is found that the amount of adsorbed dye is predominantly influenced by the pH of the dye solution while sensitization time has minor effects. On the other hand, a large quantity of dye adsorbed on the surface of the NWs is not beneficial for achieving high performance. For that reason, the best results are obtained, when sensitization time was few minutes for a solution pH=4.7. Dynamic light scattering studies of dye solutions prior to sensitization of the anodes revealed the presence of dye clusters whose size depends on the pH of the solution. | el |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/10889/11346 | |
| dc.language.iso | gr | el |
| dc.rights | 0 | el |
| dc.subject | Ευαισθητοποιημένες ηλιακές κυψελίδες | el |
| dc.subject | Νανοράβδοι ZnO | el |
| dc.subject.alternative | Dye sensitized solar cells | el |
| dc.subject.alternative | ZnO nanowires | el |
| dc.subject.ddc | 621.312 44 | el |
| dc.title | Πειραματική μελέτη φωτοευαισθητοποιημένων ηλιακών κυψελίδων με νανοράβδους ZnO | el |
| dc.title.alternative | Experimental study of dye sensitized solar cells (DSSCs) based on ZnO nanowires (NWs) | el |
| dc.type | Thesis | el |