Energy harvesting materials based on carbon nanotube fibre for tough electronics

La fibra de nanotubos de carbono (CNTf) tiene, entre otras propiedades, alta resistencia, modulo elastico y tenacidad, alta conductividad electronica, elevada superficie especifica y buena estabilidad electro-quimica. La combinacion de estas propiedades hacen que la fibra de CNT sea un material interesante para utilizarlo simultaneamente como electrodo, colector de corriente y refuerzo mecanico. Esta tesis se centra en la fabricacion y estudio de nuevos materiales basados en la fibra de CNT como conductor para nuevos dispositivos de conversion de energia con propiedades mecanicas aumentadas. Usada como contraelectrodo (CE) en celdas solares organicas DSSC, se han obtenido eficiencias del 9 %, comparable al material de referencia, el Platino. Tambien se discute sobre la naturaleza de las propiedades cataliticas de este material, asi como de su interaccion con electrolitos con yoduro/ triyoduro como par redox. Se proponen nuevos disenos de dispositivos en base a las propiedades y al metodo de fabricacion de la fibra CNT. Entre otros disenos se destaca el modulo solar basado en tejidos fibra CNT continua superiores al metro de longitud, dispositivos bifaciales o el uso de la fibra CNT directamente como conductor flexible sin otro tipo de substrato. Por otro lado, en la presente investigacion se han fabricado materiales hibridos de fibra CNT/ semiconductor por varios metodos de sintesis: por el metodo sol-gel/ hidrotermal, por deposicion de capas atomicas (ALD), asi como mediante la tecnica "doctor blade". A traves de los hibridos obtenidos, se ha observado que la morfologia, el tamano y el metodo de sintesis tienen una gran influencia sobre sus propiedades. Posteriormente, usando estos materiales como fotoanodos en celdas solares DSSC, se ha podido concluir que el balance entre los procesos de recombinacion e inyeccion gobiernan el funcionamiento del dispositivo basado en CNTf. Se han investigado varios metodos para reducir la recombinacion en estos dispositivos cuando se usa la fibra CNT como conductor en el fotoanodo. Entre ellos, la combinacion de utilizar fibra semitransparente y pasivar su superficie con capas conformales de oxidos metalicos por ALD, han dado resultados prometedores. Las conclusiones que se extraen de esta tesis asientan los primeros pasos para la fabricacion de una celda solar enteramente de carbono con propiedades mecanica mejoradas. ----------ABSTRACT---------- The Carbon Nanotube Fibres (CNTf) present high electrical conductivity, high mechanical properties (strength, elastic modulus and toughness), large specific surface area and electrochemical stability among others. This combination of properties makes them an interesting material that can simultaneously act as electrode, current-collector and mechanical reinforcement. This thesis is centred in the fabrication and study of new materials based on the CNTf used as current-collector for new energy conversion devices with augmented mechanical properties. Used as Counter-Electrode (CE) in Dye Sensitised Solar Cells (DSSC), CNTf leads to efficiency of 9 %, comparable to Pt reference. Some insights are discussed about the catalytic nature of this material and the CNTf/electrolyte interaction (based on iodide/ triiodide redox couple). New device architectures are proposed enabled by the properties and scalable process of the CNTf, such as 1 metre photovoltaic module, bifacial devices or free-standing flexible current-collector DSSC. Moreover, large CNTf/semiconductor hybrid materials have been produced by different techniques, such as sol-gel/hydrothermal method, atomic layer deposition or doctor blading commercial semiconductor pastes. It is demonstrated that they behave as electronic heterojunctions, and also, that there is charge transfer produced by photo-excitation of the semiconductors. The semiconductor dimension, morphology and synthesis method have a strong influence over the properties of the hybrid materials. Last but not the least, the implementation of these hybrids as photoanodes in DSSC is presented. Several routes are investigated for reducing the strong electrolyte recombination observed in presence of the CNTf. The passivisation of the CNTf electrode with metal oxides by ALD in combination with semi-transparent CNTf currentcollectors drastically reduced the recombination for CNTf photoanodes. The results here presented are a first step towards the fabrication of a full carbon photovoltaic device with augmented mechanical properties.