Σύνθεση και χαρακτηρισμός νανοσύνθετων ημιαγωγών και ηλεκτρολυτών για εφαρμογές σε ηλιακά στοιχεία
Authors: Αποστολοπούλου Αντιγόνη 
Published: September 2021

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκαν οι ευαισθητοποιημένες με χρωστική ηλιακές κυψελίδες καθώς και οι ηλιακές κυψελίδες περοβσκιτών. Όσον αφορά τις ευαισθητοποιημένες με χρωστική ηλιακές κυψελίδες αποτελούνται από ένα μεσοπορώδες ημιαγώγιμο υμένιο νανοσωματιδίων (φωτοάνοδος), τη χρωστική που προσροφάται στον ημιαγωγό, τον ηλεκτρολύτη που περιέχει οξειδοαναγωγικό ζεύγος και το αντιηλεκτρόδιο. Ο μηχανισμός λειτουργίας περιγράφεται συνοπτικά ως εξής: τα μόρια της χρωστικής απορροφούν φωτόνια της ηλιακής ακτινοβολίας και κατ’ επέκταση διεγείρονται με αποτέλεσμα να εγχύονται ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας του ημιαγωγού, οδηγώντας στην οξείδωση της χρωστικής. Η χρωστική αναγεννάται με τη μεταφορά ηλεκτρονίων από το οξειδοαναγωγικό ζεύγος του ηλεκτρολύτη, το οποίο στη συνέχεια αναγεννάται μέσω των ηλεκτρονίων από το εξωτερικό κύκλωμα. Στην παρούσα μελέτη έχουν γίνει προσπάθειες σύνθεσης μεσοπορώδων ημιαγώγιμων υμενίων (TiO2, ZnO) με απλές μεθόδους, καθώς επίσης πραγματοποιήθηκε κατάλληλος συνδυασμός ημιαγωγών (TiO2-In2O3) στη φωτοάνοδο με σκοπό την αποδοτικότερη μετακίνηση ηλεκτρονίων. Επιπλέον, η έρευνα επικεντρώθηκε στη σύνθεση και μελέτη διάφορων τύπων ηλεκτρολυτών. Συγκεκριμένα, παρασκευάστηκαν ηλεκτρολύτες ημιστερεού τύπου (gel) με διάφορους τρόπους, ηλεκτρολύτης με εναλλακτικό οξειδοαναγωγικό ζεύγος (V4+/V5+) έναντι του ευρέως χρησιμοποιούμενου I-/I3- καθώς και ημιστερεοί ηλεκτρολύτες στους οποίους η παραγωγή ιόντων του οξειδοαναγωγικού ζεύγους πραγματοποιήθηκε μέσω αντίδρασης αλκυλίωσης αμινοομάδων. Όλα τα μεσοπορώδη ημιαγώγιμα υμένια που πραγματοποιήθηκαν καθώς και οι ηλεκτρολύτες που συντέθηκαν εφαρμόστηκαν σε φωτοευαισθητοποιημένες με χρωστική ηλιακές κυψελίδες. Στη συνέχεια, μελετήθηκαν εκτενώς τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των κυψελίδων καθώς και η δομή κάθε νέου υλικού που ενσωματώθηκε σε αυτές. Η βελτίωση των δομικών χαρακτηριστικών (κρυσταλλικότητα, ειδική επιφάνεια) της φωτοανόδου έχοντας επιπλέον κατάλληλες ενεργειακές στάθμες, καθώς και η σύνθεση ηλεκτρολύτη υψηλής αγωγιμότητας παίζει πολύ σημαντικό ρόλο για την επίτευξη ηλιακών κυψελίδων υψηλών αποδόσεων. Οι περοβσκίτες παρουσιάζουν την κρυσταλλική δομή με χημικό τύπο ΑMΧ3, όπου Α είναι κατιόν (CH3NH3+, Cs+ ή (HCNH2)2+), το M είναι ανόργανο κατιόν (Pb2+, Sn2+, Cu2+, Eu2+, Ge2+ κλπ.) ενώ το Χ είναι ανιόν αλογόνου (Cl-, Br- ή I-). Τα βασικά είδη ηλιακών κυψελίδων περοβσκιτών χωρίζονται σε λεπτού ομοιόμορφου υμενίου και μεσοπορώδους υμενίου, ενώ οι ηλιακές κυψελίδες λεπτού υμενίου χωρίζονται σε δύο είδη δομών, n-i-p και p-i-n. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιήθηκε η μελέτη ηλιακών κυψελίδων περοβσκιτών μεσοπορώδους υμενίου μεταφοράς ηλεκτρονίων, η οποία παρουσιάζει τη δομή: αγώγιμο υπόστρωμα/υλικό μεταφοράς ηλεκτρονίων/ περοβσκίτης/υλικό μεταφοράς οπών/μέταλλο, χρησιμοποιώντας μεσοπορώδες υμένιο υλικού μεταφοράς ηλεκτρονίων.Ο μηχανισμός λειτουργίας μιας ηλιακής κυψελίδας περοβσκίτη έχει ως εξής: τα προσπίπτοντα φωτόνια απορροφώνται από τον περοβσκίτη δημιουργώντας εξιτόνια (ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών) τα οποία διαχέονται σε όλο τον περοβσκίτη. Ένα ποσοστό αυτών επανασυνδυάζεται ενώ τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια εγχύονται στη φωτοάνοδο και στη συνέχεια μεταφέρονται στο εξωτερικό κύκλωμα και οι οπές μετακινούνται στο υλικό μεταφοράς οπών.Στην παρούσα μελέτη, πραγματοποιήθηκε η ανάπτυξη ηλιακών κυψελίδων περοβσκιτών χρησιμοποιώντας ως υλικό μεταφοράς ηλεκτρονίων ένα συνδυασμό μεσοπορώδων υμενίων, των οξειδίων TiO2 και In2O3. Στόχος αυτής της τροποποίησης της φωτοανόδου αποτελεί η αποδοτικότερη μετακίνηση ηλεκτρονίων καθώς με τον κατάλληλο συνδυασμό των ενεργειακών σταθμών LUMO του περοβσκίτη με τη ζώνη αγωγιμότητας του ημιαγωγού μπορούν να επιτευχθούν υψηλές αποδόσεις στις ηλιακές κυψελίδες. Οι διαδοχικές εγχύσεις ηλεκτρονίων από τον περοβσκίτη στο In2O3 και έπειτα στο TiO2 καταστέλλουν την επανασύνδεσή τους, αυξάνοντας την πυκνότητα ηλεκτρικού ρεύματος. Το επιπλέον υμένιο του In2O3 λειτουργεί σαν υμένιο φραγμού επιταχύνοντας τη μετακίνηση ηλεκτρονίων.