Ανάπτυξη και βελτιστοποίηση ευαισθητοποιημένων ηλιακών κυψελίδων νανοκρυσταλλικής τιτανίας
Authors: Καντώνης Γεώργιος 
Published: January 2014

Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής επιχειρήθηκε η παρασκευή, αλλά και η βελτιστοποίηση υμενίων νανοκρυσταλλικής τιτανίας, έτσι ώστε να μπορούν τα υμένια αυτά να χρησιμοποιηθούν ως φωτοηλεκτρόδια σε ευαισθητοποιημένες ηλιακές κυψελίδες. Αρχικά πραγματοποιήθηκε η μελέτη του ρόλου της τελικής θερμοκρασίας κατεργασίας τόσο στα μορφολογικά και επιφανειακά χαρακτηριστικά, όσο και στην φωτοβολταϊκή συμπεριφορά υμενίων νανοκρυσταλλικής τιτανίας που παρασκευάζονται με την τεχνική doctor blade. Ειδικότερα, μελετήθηκε η επίδραση του χρόνου κατεργασίας στην ίδια τελική θερμοκρασία και βρέθηκε ότι κατεργασία διάρκειας μεγαλύτερης από 60 min δεν μεταβάλλει σημαντικά τα χαρακτηριστικά των υμενίων. Αντίθετα η τιμή της τελικής θερμοκρασίας είναι ιδιαίτερα κρίσιμη. Βρέθηκε ότι η βέλτιστη θερμοκρασία κατεργασίας αντιστοιχεί στους 550 οC καθώς σε αυτή την θερμοκρασία τα υμένια που παρασκευάζονται δίνουν τα καλύτερα αποτελέσματα όταν ενσωματωθούν ως ηλεκτρόδια εργασίας σε φωτοηλεκτροχημικές κυψελίδες. Πιο συγκεκριμένα, βρέθηκε ότι σε αυτή την θερμοκρασία λαμβάνει χώρα καλύτερη πυροσυσσωμάτωση των νανοσωματιδίων της τιτανίας με αποτέλεσμα τα αντίστοιχα υμένια αν και δεν προσροφούν μεγαλύτερη ποσότητα χρωστικής, δίνουν τις μεγαλύτερες αποδόσεις μετατροπής ισχύος. Αυτό συμβαίνει καθώς όπως διαπιστώθηκε από περαιτέρω ηλεκτρικές μελέτες, τα παραγόμενα ηλεκτρόνια σε αυτή τη θερμοκρασία εμφανίζουν τους μεγαλύτερους χρόνους ζωής καθώς και τους μεγαλύτερους συντελεστές διάχυσης. Έτσι καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι η βέλτιστη θερμοκρασία κατεργασίας είναι οι 550 οC, όπου τα υμένια που παρασκευάστηκαν έδωσαν συνολική απόδοση μετατροπής ισχύος 6,4% (15 % μεγαλύτερη σε σχέση με οποιαδήποτε άλλη θερμοκρασία που μελετήθηκε). Στη συνέχεια μελετήθηκε η διαστρωμάτωση του φωτοηλεκτροδίου και επιχειρήθηκε η παρασκευή υμενίων με περισσότερα από ένα στρώματα, εκμεταλλευόμενοι τα χαρακτηριστικά υλικών με διαφορετικές ιδιότητες σε σχέση με το βασικό στρώμα της τιτανίας. Έτσι παρασκευάστηκαν σύνθετα υμένια με διαδοχικά στρώματα που εκτός από το βασικό στρώμα της τιτανίας περιείχαν ένα στρώμα με μεγάλα σωματίδια διοξειδίου του τιτανίου με αυξημένη ικανότητα σκέδασης του φωτός και ένα συμπαγές στρώμα με ικανότητα βελτίωσης των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των υμενίων. Στα σύνθετα αυτά υμένια μελετήθηκαν τόσο οι οπτοηλεκτρικές ιδιότητες όσο και τα φωτοβολταικά χαρακτηριστικά των αντίστοιχων ηλιακών κυψελίδων. Βρέθηκε ότι το στρώμα σκέδασης αυξάνει την ποσότητα της προσροφημένης χρωστικής πάνω στο υμένιο, ταυτόχρονα με την αύξηση ικανότητας σκέδασης των παραγόμενων φωτονίων. Αντίθετα το συμπαγές στρώμα αυξάνει το χρόνο ζωής των παραγόμενων ηλεκτρονίων καθώς τον συντελεστή διάχυσής τους. Με αυτό τον τρόπο επιτεύχθηκε η παρασκευή υμενίων που δίνουν μία απόδοση μετατροπής ισχύος που φτάνει περίπου το 8 % τιμή αρκετά υψηλή σε σχέση με την βιβλιογραφία. Τέλος μελετήθηκε και η παρασκευή υμενίων με βάση μία πλήρως αυτοματοποιημένη τεχνική, την τεχνική των διάτρητων μητρών (screen printing). Η τεχνική αυτή επιτρέπει την παρασκευή υμενίων με πλήρως επαναλήψιμο και αναπαραγωγίσιμο τρόπο, μιας και όλες οι διεργασίες εναπόθεσης πραγματοποιούνται μηχανικά. Αρχικά πραγματοποιήθηκε η παρασκευή αρχικά υμενίων από εμπορικά διαθέσιμες πάστες. Μελετήθηκαν δύο πάστες που δίνουν υμένια με διαφορετικά οπτικά χαρακτηριστικά (διαφανή και αδιαφανή) και βρέθηκε ο βέλτιστος αριθμός στρωμάτων που μπορεί να εναποτεθεί ώστε να οδηγεί στη μέγιστη απόδοση μετατροπής. Στην συνέχεια εναποτέθηκαν τα δύο προαναφερθέντα στρώματα και τελικά παρασκευάστηκαν σύνθετα υμένια με ολική απόδοση μετατροπής που αγγίζει το 7%.