Καινοτόμα υλικά για νανοκρυσταλλικές ηλιακές κυψελίδες
Authors: Σφυρή Γεωργία 
Published: September 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάζει τη δυνατότητα μετατροπής της φωτεινής ενέργειας σε ηλεκτρική μέσω εκμετάλλευσης των ιδιοτήτων ευαισθητοποιημένων ηλιακών κυψελίδων τρίτης γενιάς, στερεάς μορφής. Με κύριο σκοπό τη μείωση του κόστους κατασκευής, τα ηλιακά στοιχεία τρίτης γενιάς παρασκευάζονται με ήπιες χημικές διεργασίες υπό συνθήκες περιβάλλοντος και διακρίνονται σε μερικές υποκατηγορίες: φωτοευαισθητοποιημένα ηλιακά στοιχεία με χρήση υγρού ηλεκτρολύτη, φωτοευαισθητοποιημένα στοιχεία στερεάς μορφής όπου ο υγρός ηλεκτρολύτης αντικαθιστάται από ένα στερεό υλικό μεταφοράς οπών, σε ηλιακά στοιχεία κβαντικών τελειών, σε οργανικά ηλιακά στοιχεία και τέλος σε περοβσκιτικά ηλιακά στοιχεία. Κατά τη διάρκεια εκπόνησης της παρούσας διατριβής, μελετήθηκαν ηλιακά στοιχεία αποκλειστικά με χρήση υλικών μεταφοράς οπών και πιο συγκεκριμένα ηλιακά στοιχεία κβαντικών τελειών καθώς και περοβσκιτικά ηλιακά στοιχεία.Τα ηλιακά στοιχεία τρίτης γενιάς, στερεάς μορφής δομούνται με εναπόθεση επάλληλων μεσοπορωδών υμενίων πάνω σε διαφανές αγώγιμο υπόστρωμα. Τα ενεργά συστατικά είναι ένα συμπαγές υπόστρωμα διοξειδίου του τιτανίου, ένα μεσοπορώδες υμένιο διοξειδίου του τιτανίου, το υμένιο του φωτοευαισθητοποιητή και τέλος του υλικού μεταφοράς των οπών. Στην κορυφή όλων των υποστρωμάτων εναποτίθεται ένα μεταλλικό ηλεκτρόδιο για την συλλογή του φωτορεύματος. Όταν το φωτοευαίσθητο υλικό διεγείρεται, δημιουργείται ένας μηχανισμός προσανατολισμένης κίνησης των ηλεκτρονίων που μεταπίπτουν στη ζώνη αγωγιμότητας του ευαισθητοποιητή, ενώ η πορεία των οπών που προκύπτουν στη ζώνη σθένους είναι αντίθετης κατεύθυνσης από αυτή των ηλεκτρονίων. Οι φορείς φορτίου κινούνται μέσα στην μάζα των υλικών των διάφορων υποστρωμάτων και όσοι δεν επανασυνδεθούν καταλήγουν στα μεταλλικά ηλεκτρόδια. Κάθε φωτοβολταϊκό στοιχείο στηρίζει τη λειτουργία του στο διαχωρισμό των φωτοπαραγόμενων ηλεκτρονίων και οπών. Στα φωτοευαισθητοποιημένα ηλιακά στοιχεία ο διαχωρισμός επιτυγχάνεται χάρις στην έκχυση ηλεκτρονίων στον ημιαγωγό τύπου n, που στην προκειμένη περίπτωση είναι η τιτάνια, και στην έκχυση των οπών στο υλικό μεταφοράς οπών. Για να παίζει αυτό το ρόλο το τελευταίο, πρέπει να διαθέτει και το κατάλληλο δυναμικό. Στην παρούσα διατριβή εξετάστηκαν δυο είδη φωτοευαίσθητων υλικών, τα οποία συνδυάστηκαν με διάφορα υλικά μεταφοράς των οπών.Σε πρώτη φάση μελετήθηκαν ως φωτοευαισθητοποιητές χαλκογενή τύπου II-VI όπως το CdSe και το ZnSe υπό μορφή κβαντικών τελειών. Τα φωτοευαίσθητα αυτά υποστρώματα των κβαντικών ηλιακών στοιχείων στερεάς μορφής προέκυψαν τόσο από την μεμονωμένη χρήση των CdSe και ZnSe όσο και το συνδυασμό τους σε διάφορες αναλογίες. Μια σειρά πλεονεκτημάτων που παρουσιάζει ο συνδυασμός κβαντικών τελειών αποδείχθηκαν ικανά να αυξήσουν την απόδοση των τελικών δομών έναντι της μεμονωμένης χρήσης τους. Επιπλέον, ηλιακά στοιχεία κβαντικών τελειών στερεάς μορφής κατασκευάστηκαν με τη χρήση Sb2S3 ως φωτοευαισθητοποιητή. Οι κβαντικές τελείες Sb2S3, συντέθηκαν μέσω δυο διαφορετικών τεχνικών με σκοπό την σύγκριση του προκύπτοντος φωτοευαίσθητου υλικού και την ανάδειξη που πιο αποδοτικού μεταξύ αυτών. Ως αγωγός οπών στα ηλιακά στοιχεία κβαντικών τελειών χρησιμοποιήθηκε ο οργανικός ημιαγωγός τύπου p, γνωστός με τη συντομογραφία P3HT.Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι περοβσκίτες σαν υλικό ικανό να απορροφήσει το φώς σε όλο το φάσμα του ορατού. Έτσι συντέθηκε η περοβσκιτική δομή μεικτού αλογονούχου περοβσκίτη, CH3NH3PbI3-xCl3. Μετά την βελτιστοποίηση του περοβσκιτικού υμενίου ως προς την σύνθεση και την εναπόθεση, δοκιμάστηκαν διάφορα υλικά μεταφοράς οπών με σκοπό την αύξηση της απόδοσης μετατροπής του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρισμό και κυρίως τη μείωση του κόστους. Αρχικά, χρησιμοποιήθηκε το Spiro-OMeTAD, το οποίο αποτελεί τον επικρατέστερο εκπρόσωπο μεταξύ των υλικών μεταφοράς οπών. Αν και η απόδοση των στοιχείων της δομής CH3NH3PbI3-xCl3/ Spiro-OMeTAD ήταν αρκετά υψηλή, το αρκετά μεγάλο κόστος του Spiro-OMeTAD δημιούργησε την ανάγκη διερεύνησης επιπλέον κατάλληλων υλικών μεταφοράς οπών προς αντικατάστασή του. Μια σειρά φθαλοκυανινών διάφορων μετάλλων οι οποίες αποτελούν είτε εμπορικά διαθέσιμα προϊόντα είτε προϊόντα σύνθεσης συνδυάστηκαν με τον περοβσκίτη και αποδείχθηκαν υλικά ικανά να αυξήσουν την απόδοση των περοβσκιτικών ηλιακών στοιχείων.Τέλος, η παρούσα διατριβή συγκέντρωσε μελέτες που αναφέρονται στη σύνθεση καινοτόμων υλικών, το χαρακτηρισμό τους, τις διαδικασίες εναπόθεσης υπό την μορφή λεπτών υμενίων αλλά και την κατασκευή και το χαρακτηρισμό ολοκληρωμένων συσκευών.