Ανάπτυξη ημιαγώγιμων και ιοντικών υλικών για εφαρμογή σε υβριδικές ηλιακές κυψελίδες

Abstract

The need of developing clean renewable energy resources has lead to a great number of different photovoltaic devices. Among them, dye-sensitized solar cells (DSSCs) have attracted great interest, due to the increased energy conversion efficiency and low cost of the final devices.In this thesis, the synthesis of alternative novel materials that could be used either in the electrolyte, or the inorganic semiconductor-dye interface was attempted. The main target was the development of DSSCs with long-term stability and low cost, two crucial factors that effect the commercialization opportunities. In the first part of the dissertation, different organic dyes were prepared. These dyes, either polymeric or monomeric, should have broad absorption spectrum and suitable energy levels. Alternative ways of connecting organic dyes onto the surface of TiO2 electrodes were also investigated. More specifically, perfluorophenyl functionalized organic semiconducting materials (Organic-5F) were employed as TiO2 sensitizers, leadind to stable and non-hydrolysable bonds between the dyes and tiO2.The last part of the thesis describes the development of quasi solid state electrolytes, in order to avoid problems regarding solvent evaporation, that is a major drawback in the use of liquid electrolytes. For this reason, the family of imidazolium-type ionic liquids (ILs) was studied. Some of them, were used for the synthesis of their respective homopolymers and copolymers with ω-end modified poly(3-alkyl thiophene)s or ruthenium complexes.The synthesized materials were employed in the fabrication of DSSCs, pointing out the out the viability and reliability of the proposed novel routes.

Η ανάγκη για την ανάπτυξη νέων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας έχει πυροδοτήσει εντατική επιστημονική έρευνα, σε όλο τον κόσμο για φωτοβολταϊκές συσκευές. Μεταξύ αυτών, οι υβριδικές ηλιακές κυψελίδες ευαισθητοποιημένες με χρήση χρωστικών ουσιών (dye-sensitized solar cells/DSSCs) έχουν προσελκύσει αξιοσημείωτο επιστημονικό ενδιαφέρον, κάτι που οφείλεται τόσο στην υψηλή απόδοση μετατροπής φωτορεύματος, όπως επίσης και στην προοπτική παραγωγής με χαμηλό κόστος. Στα πλαίσια της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής, επιχειρήθηκε η μελέτη και ανάπτυξη υλικών, προκειμένου να χρησιμοποιηθούν σε τέτοιου είδους ηλιακές κυψελίδες. Τα υλικά-στόχοι επιλέχθηκαν με κύριο μέλημα τη μακροπρόθεσμη σταθερότητα και το χαμηλό κόστος των κυψελίδων που θα προέκυπταν, παράγοντες πολύ σημαντικοί όσον αφορά την εμπορευματοποίησή τους. Σε πρώτο στάδιο ξεκίνησε η παρασκευή οργανικών φωτοευαισθητοποιητών (χρωστικών). Επιλέχθηκαν μονομερικές και πολυμερικές χρωστικές, που θα χαρακτηρίζονταν από ευρύ φάσμα απορρόφησης και κατάλληλα ενεργειακά επίπεδα. Παράλληλα, αναπτύχθηκε μια καινοτόμος μεθοδολογία σύνδεσης της χρωστικής στο ηλεκτρόδιο ανόδου, η οποία περιλαμβάνει τη χρήση ομάδων πενταφθοροφαινυλίου, σαν ομάδες πρόσδεσης. Ο δεσμός που προκύπτει είναι πολύ ισχυρός, ενώ δεν υδρολύεται σε υδατικό περιβάλλον. Οι χρωστικές που συντέθηκαν, χρησιμοποιήθηκαν για την τροποποίηση νανοσωματιδίων TiO2 προκειμένου να ελεγχθούν τα χαρακτηριστικά των προϊόντων που προκύπτουν, αλλά και για την ευαισθητοποίηση φωτοανόδων έτσι ώστε να εξεταστούν σε πραγματικές συνθήκες.Το δεύτερο κομμάτι περιελάμβανε την ανάπτυξη ηλεκτρολυτών ημιστερεάς κατάστασης, προκειμένου να αποφευχθούν προβλήματα αναφορικά με την εξάτμιση του διαλύτη που οδηγεί σε μείωση της απόδοσης και της διάρκειας ζωής της κυψελίδας. Για το λόγο αυτό, επιλέχθηκε η μελέτη ιοντικών υγρών (IL) με βάση το ιμιδαζόλιο. Επιλεγμένα ILs, χρησιμοποιήθηκαν για τη σύνθεση των αντίστοιχων ομοπολυμερών, αλλά και συμπολυμερών με πολυμερή θειοφαινίου ή σύμπλοκα ρουθηνίου, μέσω ριζικών πολυμερισμών. Όλα τα προϊόντα που συντέθηκαν, αξιολογήθηκαν σε διατάξεις DSSCs, αποδεικνύοντας ότι οι συγκεκριμένες εναλλακτικές πορείες μπορούν να εφαρμοστούν με επιτυχία σε πραγματικές συνθήκες.