Μελέτη φωτονικών ιδιοτήτων οργανικών ευαισθητοποιητών με δυνατότητα εφαρμογής σε φωτοβολταϊκά κελιά
Authors: Δωρή Μαρία-Άννα 
Published: September 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή βασίστηκε στη διεξαγωγή πειραμάτων σχετικών με τιςοπτικές ιδιότητες νέων οργανικών φωτοευαισθητοποιητών ικανών για εφαρμογή σενανοδομημένα φωτοβολταϊκά κελιά. Οι οργανικοί αυτοί φωτοευαισθητοποιητέςπαρασκευάστηκαν από την ομάδα του Καθηγητή J.T. Lin από το Institute of Chemistry,Academia Sinica, Taipei, Taiwan. Πραγματοποιήθηκε σειρά πειραμάτων με τεχνικέςφασματοσκοπίας σταθερής κατάστασης αλλά και χρονικής ανάλυσης στην περιοχή των fs,αλλά και σε αυτή των ps-ns.Πραγματοποιήθηκε μελέτη σε διπολικές οργανικές δομές που αποτελούνται από ένα δότη(τρι-φαινυλαμίνη) και έναν αποδέκτη ηλεκτρονίων (καρβοξύλιο) οι οποίοι ενώνονται με μιαπ-συζυγιακή γέφυρα που είναι η ομάδα φλουορενίου. Συγκεκριμένα πραγματοποιήθηκανμετρήσεις σε τέσσερις διαλύτες: το τολουόλιο, το τετραυδροφουράνιο, την ακετόνη και τοακετονιτρίλιο. Οι τέσσερις αυτοί διαλύτες είναι απρωτικοί και μελετήθηκε η επίδραση τηςπολικότητας τους στις οπτικές ιδιότητες της χρωστικής. Παρατηρήθηκε η ανάπτυξη, κατά τηδιέγερση των οργανικών μορίων, μιας κατάστασης που προκύπτει από ενδομοριακήμεταφορά φορτίου. Προς αυτή τη διπολική κατάσταση οδηγείται το διεγερμένο μόριο καθώςείναι σταθερή σε πολικούς διαλύτες και παρουσιάζει διαφορετικές οπτικές ιδιότητες από τηναρχικώς διεγερμένη κατάσταση η οποία κυρίως ανιχνεύεται σε απολικούς διαλύτες.Μια επιπλέον εξαιρετικά ενδιαφέρουσα δράση που πραγματοποιήθηκε είναι η μελέτη τωνοργανικών φωτοευαισθητοποιητών σε διάλυμα αλλά σε μορφή ιόντων. Τα μοριακά ιόνταείναι στην πράξη υπεύθυνα για τη λειτουργία των φωτοβολταϊκών κελιών καθώς μετά τηναπορρόφηση φωτονίων από τα μόρια, αυτά μεταφέρουν ηλεκτρόνια προς τη ζώνη τουημιαγωγού και παραμένουν σε μορφή κατιόντος μέχρι να αναγεννηθούν από τονηλεκτρολύτη. Επίσης, κατά την προσρόφηση των μορίων χρωστικής στα υποστρώματα TiO2το άτομο του υδρογόνου αποσπάται από το -COOH και έτσι τα μόρια χρωστικής παραμένουνσε κατάσταση ανιόντων. Καθώς όμως η μελέτη των ιόντων κατά τη λειτουργία των κελιώνείναι εξαιρετικά δύσκολη λόγω του ότι απαιτεί ένα πλήρως λειτουργικό κελί σε κατάστασηακτινοβόλησης και συνδεδεμένο με εξωτερικό κύκλωμα να τοποθετηθεί και να μετρηθείφασματοσκοπικά, έγινε παραγωγή ιόντων των οργανικών ευαισθητοποιητών σε διάλυμαμέσω της προσθήκης μιας ισχυρής βάσης με την κωδική ονομασία DBU. Με αυτό τον τρόποπραγματοποιήθηκε μελέτη των σταθερών ιόντων σε διάλυμα τόσο με φασματοσκοπίασταθερής κατάστασης όσο και χρονικής ανάλυσης. Σε σταθερή κατάσταση τα φάσματα τωνιόντων που παράχθηκαν σε διάλυμα έδειξαν απόλυτη σύμπτωση με τα φάσματα που10πάρθηκαν από τις χρωστικές σε κελιά κάτι που δείχνει την επιτυχία του εγχειρήματοςπαραγωγής ιόντων σε διάλυμα. Επίσης, η μελέτη των ιόντων σε απρωτικούς απολικούςδιαλύτες έδειξε πιο γρήγορη αποδιέγερση σε σχέση με τα ουδέτερα μόρια.Επίσης, επιχειρήθηκε μια συνεισφορά στην κατανόηση της δυναμικής έγχυσης ηλεκτρονίωνσε νανοκρυσταλλικά φιλμ TiO2 ευαισθητοποιημένων με χρωστική φλουορενίου καιολοκληρωμένα ηλιακά κελιά ευαισθητοποιημένα με χρωστική και έναν ημιστερεόηλεκτρολύτη. Επίσης, μελετήθηκε και η ηλεκτρονιακή έγχυση σε φιλμ TiO2ευαισθητοποιημένου με έξι διαφορετικούς ευαισθητοποιητές φλουορενίου, χρησιμοποιώνταςκαι στις δύο περιπτώσεις την φασματοσκοπία φθορισμού χρονικής ανάλυσης fs σεδιαφορετικά μήκη κύματος και χρονικές κλίμακες της τάξης των fs και ps. Για τη μελέτηαυτή χρησιμοποιήθηκαν ως αναφορά νανοκρυσταλλικά φιλμ Al2O3.Η απόδοσηηλεκτρονιακής έγχυσης σχετίζεται με τη δομή, το μήκος σύζευξης και το δυναμικόδιεγερμένης στάθμης των ευαισθητοποιητών. Η δυναμική της έγχυσης ηλεκτρονίωνμελετήθηκε σε έναν από τους ευαισθητοποιητές χρησιμοποιώντας διαφορετικές ποσότητεςκενοδεοξυχολικού οξέος ως συμπροσροφητή. Ο συγκεκριμένος συμπροσροφητήςχρησιμοποιείται με σκοπό την ελάττωση των συσσωματωμάτων.Με σκοπό να σχετιστεί η απόδοση της ηλεκτρονιακής έγχυσης με την ίδια την απόδοση τηςσυσκευής, κατασκευάστηκαν ηλιακά κελιά με ημιστερεό ηλεκτρολύτη. Χρησιμοποιήθηκε καιεδώ ως ευαισθητοποιητής μια διπολική οργανική χρωστική φλουορενίου περιέχονταςτριφαινυλαμίνη και 2-κυανοακρυλικό οξύ σαν δότη και αποδέκτη αντίστοιχα. Επιπλέον,μελετήθηκε η δυναμική φθορισμού του οργανικού ευαισθητοποιητή σε ευαισθητοποιημέναυμένια με αλλά και χωρίς ηλεκτρολύτη, προσδιορίζοντας τους χρόνους ζωής της διεγερμένηςστάθμης. Οι δυναμικές ηλεκτρονιακής έγχυσης στα σχεδόν στερεής κατάστασης ηλιακάκελιά TiO2 παρουσίασαν επιβράδυνση σε σύγκριση με τα υμένια, ανάλογα με τοανιχνευόμενο κάθε φορά μήκος κύματος κάτι που οδήγησε και σε μείωση της απόδοσηςέκχυσης. Από τη σύνδεση της απόδοσης με τις μετρήσεις έκχυσης, φάνηκε μια πολύ καλήσχέση της φωτοβολταϊκής απόδοσης με την ηλεκτρονιακή έκχυση. Αυτό καθιστά τηνηλεκτρονιακή έκχυση τον πιο σημαντικό μηχανισμό για τη λειτουργία αυτών των κελιών.