Development of one-dimensional titania nanomaterials
Authors: Βαενάς Ναούμ 
Published: September 2021

Σκοπός αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη μονοδιάστατων νανοδομών τιτανίας και εν συνεχεία η εφαρμογή τους στην κατασκευή ευαισθητοποιημένων ηλιακών κελιών (Dye Solar Cells - DSCs). Οι νανοσωλήνες τιτανίας αποτελούν την ιδανική επιλογή για τους στόχους αυτής της έρευνας καθώς: α) μπορούν να προετοιμαστούν εύκολα από την ανοδική οξείδωση ενός φύλλου τιτανίου, β) επιτρέπουν τον εύκολο έλεγχο της μορφολογίας τους μέσω της ηλεκτροχημικής νάνο-μηχανικής, γ) εξασφαλίζουν εξαιρετικές ηλεκτρικές ιδιότητες, όπως κατευθυνόμενη κίνηση των ηλεκτρονίων. Οι νανοσωλήνες τιτανίας χρησιμοποιήθηκαν ως ηλεκτρόδια εργασίας (photo-anodes) στα ευαισθητοποιημένα ηλιακά κελιά που κατασκευάστηκαν στη συνέχεια.Τα μορφολογικά και δομικά χαρακτηριστικά των νανοσωλήνων μελετήθηκαν με τις τεχνικές, της μικροσκοπίας ατομικών δυνάμεων (Atomic Force Microscopy - AFM), της μικροσκοπίας ηλεκτρονικής σάρωσης (Scanning Electron Microscopy - SEM), της μικροσκοπίας ηλεκτρονικής διελεύσεως (Transmission Electron Microscopy - TEM), της φασματοσκοπίας υπεριώδους/ορατού (Ultraviolet–Visible - UV-Vis) και της φασματοσκοπίας Ράμαν (Raman spectroscopy). Επιπλέον η αξιολόγηση και ο χαρακτηρισμός των ηλιακών κελιών πραγματοποιήθηκε με τις μεθόδους, της φασματοσκοπίας ηλεκτροχημικής εμπέδησης (Electrochemical Impedance Spectroscopy - EIS), της φασματοσκοπίας φωτοδυναμικού/φωτορεύματος περιοδικά μεταβαλλόμενης έντασης φωτισμού (Intensity Modulated Photovoltage/ Photocurrent Spectroscopy - IMVS/IMPS) και τελικά οι αποδόσεις των φωτοβολταϊκών εξάχθηκαν από την βολταμετρία φωτορεύματος (Linear Sweep Voltammetry - LSV). Κίνητρα για αυτήν την μελέτη αποτέλεσαν η ανάγκη κατανόησης, των βασικών μηχανισμών ανάπτυξης των νανοσωλήνων τιτανίας καθώς και των αρχών λειτουργίας που διέπουν τα ευαισθητοποιημένα ηλιακά κελιά. Στο πρώτο μέρος αυτής της έρευνας πραγματοποιήθηκαν μερικά προκαταρτικά πειράματα, με σκοπό την βελτίωση της μορφολογίας του χρησιμοποιούμενου υποστρώματος τιτανίου, όπως και των νανοσωλήνων τιτανίας που προέκυψαν. Μόλις οι συνθήκες ανοδίωσης σταθεροποιήθηκαν, υψηλής ομοιογένειας και ποιότητας νανοσωλήνες προετοιμάστηκαν και χρησιμοποιήθηκαν σε ευαισθητοποιημένα ηλιακά κελιά με ικανοποιητική απόδοση. Στην δεύτερη φάση αυτού του έργου, οι δομικές ιδιότητες των νανοσωλήνων μελετήθηκαν , με σκοπό να εξασφαλιστεί η ανεμπόδιστη μεταφορά των ηλεκτρονίων. Συγκεκριμένα η επίδραση της διαδικασίας απόπτυσης των νανοσωλήνων διερευνήθηκε συνάρτηση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των φωτοβολταϊκών συσκευών που τελικά παράχθηκαν. Στο τρίτο στάδιο της διατριβής, προηγμένες δομές νανοσωλήνων προετοιμάσθηκαν μέσω σύνθετων τρόπων ανοδίωσης. Η ποτενσιοστατική και γαλβανοστατική ανοδίωση συνδυάστηκαν για πρώτη φορά στην βιβλιογραφία και οδήγησαν στην εξέλιξη της μεθόδου της ανοδίωσης. Το τελευταίο μέρος της δουλειάς αφιερώθηκε αποκλείστηκα στην αύξηση της απόδοσης των φωτοβολταϊκών που ενσωμάτωναν φωτοηλεκτροδία νανοσωλήνων, μέσω της χρήσης των πιο σύγχρονων ηλεκτρολυτών και χρωστικών. Το οξειδοαναγωγικό ζεύγος κοβαλτίου διαχύθηκε με ευκολία στους πορώδους νανοσωλήνες και σε συνδυασμό με την οργανική χρωστική D35, οδήγησε σε υψηλές φωτοτάσεις και αποδόσεις.