Fabrication and characterization of novel hybrid nanocomposites with application in solar cells
Authors: Χαλκιάς Δημήτριος 
Published: September 2021

Αδιαμφισβήτητα, τα φωτοευαίσθητα ηλιακά κύτταρα με χρωστική ουσία (Dye-Sensitized Solar Cells, DSSCs) συγκαταλέγονται στις πιο σημαντικές φωτοβολταϊκές τεχνολογίες 3ης γενιάς, ικανοποιώντας τη διαρκώς αυξανόμενη ανάγκη της ανθρωπότητας για παραγωγή χαμηλού κόστους, αποδοτικής και φιλικής προς το περιβάλλον ενέργειας. Τα DSSCs είναι υβριδικές οργανικές-ανόργανες φωτοβολταϊκές διατάξεις, οι οποίες τα τελευταία χρόνια έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον τόσο της ακαδημαϊκής κοινότητας όσο και της βιομηχανίας. Από επιστημονικής πλευράς, η συγκεκριμένη τεχνολογία παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον ως προς την έρευνα, την ανάπτυξη και τη βελτιστοποίησή της. Οι συσκευές αυτές απαρτίζονται από διάφορα υλικά, καθένα εκ των οποίων δύναται να σχεδιαστεί, να κατασκευαστεί και να μελετηθεί μεμονωμένα. Παρόλα αυτά, καθίσταται αναγκαίο να επισημανθεί ότι η κρίσιμη παράμετρος για την απόδοση και τη σταθερότητα των συσκευών αυτών συνιστά η αλληλεπίδρασή μεταξύ των υλικών που τις αποτελούν. Από βιομηχανική άποψη, η απόδοση και η μακροπρόθεσμη σταθερότητα των DSSCs αποτέλεσαν αντικείμενο μελέτης κατά τα τελευταία χρόνια ανάπτυξης αυτής της τεχνολογίας. Για τη βελτίωση των συσκευών αυτών, έχουν διεξαχθεί πολλές ερευνητικές προσπάθειες, οι οποίες επικεντρώθηκαν στη μελέτη και στην τροποποίησή τους, προκειμένου αυτές να ανταποκριθούν στα βιομηχανικά πρότυπα των φωτοβολταϊκών για τις διάφορες εν δυνάμει εφαρμογές τους.Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελεί μια μικρή συμβολή στο γιγάντιο όγκο δεδομένων, μοντέλων και θεωριών που έχουν αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια ώστε να βελτιωθεί η τεχνολογία των DSSCs, ωστόσο αποβλέπει σε μια αξιοσημείωτη ερευνητική προσπάθεια προς όφελος της επιστημονικής κοινότητας. Το κύριο αντικείμενο έρευνας της διδακτορικής διατριβής συνιστά η εφαρμογή υβριδικής νανοτεχνολογίας στα DSSCs, θέτοντας ως βασικούς στόχους τη βελτίωση της απόδοσης και της σταθερότητάς τους, την περεταίρω μείωση του κόστους κατασκευής τους, καθώς και τη διερεύνηση των πεδίων εφαρμογών τους. Σε αυτό το σημείο, αξίζει να επισημανθεί ότι οι διαδικασίες παρασκευής/κατασκευής των υλικών/ηλιακών κυττάρων, οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια της παρούσας έρευνας, βασίζονται σε απλές και χαμηλού κόστους τεχνικές, ικανές να αναπαραχθούν με συμβατικά μέσα. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων που διεξήχθησαν ερμηνεύονται ενδελεχώς από φυσικοχημική άποψη. Τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό των ηλιακών κυττάρων, τα οποία κατασκευάστηκαν στο εργαστήριο, συνοδεύει ένα μεγάλο πλήθος πειραμάτων χαρακτηρισμού υλικών, κατά τα οποία διευκρινίστηκε η μορφολογία, η κρυσταλλικότητα, η χημική σύσταση και δομή, καθώς και τα θερμικά, οπτικά, ηλεκτρικά και οπτοηλεκτρικά χαρακτηριστικά των υλικών που απαρτίζουν τα υπό μελέτη ηλιακά κύτταρα. Επιπρόσθετα, η ανάλυση των DSSCs μέσω του ισοδύναμου ηλεκτρικού κυκλώματος μονής διόδου συνέβαλε στην ερμηνεία των αποτελεσμάτων, τα οποία συλλέχθηκαν κατά τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό των υλικών ως συστήματος (ηλιακά κύτταρα). Τα ηλιακά κύτταρα χαρακτηρίστηκαν τόσο ως προς την απόδοση ενεργειακής μετατροπής όσο και ως προς τη σταθερότητα που επιδεικνύουν. Τέλος, μελετήθηκε η μηχανική, η δυναμική, και η βισκοελαστική συμπεριφορά συνθέτων υλικών, τα οποία κατασκευάστηκαν με δομή που προσομοιώνει τη δομή των υπό μελέτη ηλιακών κυττάρων.Αρχικά, ως πρώτος βασικός στόχος της διδακτορικής διατριβής τίθεται η βελτίωσης της απόδοσης των DSSCs. Κατά το στόχο αυτόν, διεξάγεται συστηματική έρευνα στην κατεύθυνση της αντικατάστασης των υλικών και της δομής της συμβατικής φωτο-ανόδου των DSSCs με καινοτόμες υβριδικές νανοδομές, οι οποίες παρουσιάζουν μοναδικά και βελτιωμένα χαρακτηριστικά για την προαναφερθείσα εφαρμογή. Συγκεκριμένα, οι μελέτες αφορούν σε διεπιφανειακές τροποποιήσεις στο ηλεκτρόδιο εργασίας, στη ρύθμιση του πορώδους του ημιαγωγού της ανόδου, στην κατασκευή συνθέτων υλικών με στόχο τη βελτίωση των ηλεκτρικών και οπτικών χαρακτηριστικών της ανόδου, στην ενίσχυση του φαινομένου σκέδασης του φωτός από τη φωτο-άνοδο και τέλος, στη συν-ευαισθητοποίηση της ανόδου για την επίτευξη μεγαλύτερης απορρόφησης φωτός από τα ηλιακά κύτταρα. Τα αποτελέσματα είναι πολύ ικανοποιητικά δεδομένου ότι επιτεύχθηκε η κατασκευή DSSCs τα οποία παρουσίασαν απόδοση της τάξεως του 13%, φθάνοντας τις υψηλότερες τιμές απόδοσης που έχουν καταγραφεί ως σήμερα σε αυτή την τεχνολογία φωτοβολταϊκών παγκοσμίως.Ως δεύτερος στόχος της διδακτορικής διατριβής τίθεται η βελτίωση της σταθερότητας των DSSCs, κατά τον οποίο διεξήχθησαν δύο ξεχωριστές μελέτες. Η πρώτη μελέτη αφορά στην ανάπτυξη υψηλής απόδοσης ημι-στερεάς κατάστασης DSSCs, με τη χρήση καινοτόμων προηγμένων πολυμερικών ηλεκτρολυτών, οι οποίοι παρασκευάστηκαν στο εργαστήριο. Σκοπός αποτέλεσε η βελτιστοποίηση των χαρακτηριστικών των πολυμερικών ηλεκτρολυτών για την επίτευξη υψηλής απόδοσης στα DSSCs. Σε όλες τις περιπτώσεις, τα υπόλοιπα υλικά και η δομή των ηλιακών κυττάρων ήταν σύμφωνα με τα αντίστοιχα των συμβατικών DSSCs. Πιο αναλυτικά, διερευνήθηκε η παρασκευή πολυμερικών ηλεκτρολυτών οξειδοαναγωγικού ζεύγους ιωδίου, με τη χρήση πολυμερικών μιγμάτων για τη στερεοποίησή τους, κατάλληλων για αυτή την εφαρμογή. Εν συνεχεία, μελετήθηκε η επιπλέον χρήση χημικών προσθέτων και μιγμάτων ιωδιούχων ενώσεων, τα οποία αποδεδειγμένα βελτιώνουν τη συμπεριφορά των αντίστοιχων υγρών ηλεκτρολυτών για αυτή την εφαρμογή. Τα αποτελέσματα της παρούσας έρευνας είναι πολύ ικανοποιητικά, καθώς τα DSSCs που ενσωμάτωναν τους προαναφερόμενους ηλεκτρολύτες παρουσίασαν υψηλότερη απόδοση και σταθερότητα στο χρόνο σε σύγκριση με αντίστοιχα συμβατικά DSSCs, τα οποία ενσωμάτωναν εργοστασιακά διαθέσιμο υγρό ηλεκτρολύτη υψηλής σταθερότητας. Η δεύτερη μελέτη αφορά στον προσδιορισμό της υποβάθμισης της απόδοσης των συμβατικών DSSCs υπό ακραίες συνθήκες λειτουργίας, μέσω πειραμάτων επιταχυνόμενης γήρανσης. Η έρευνα αυτή περιλαμβάνει και την ακριβή πρόβλεψη της υποβάθμισης της απόδοσης των ηλιακών κυττάρων υπό τις διάφορες συνθήκες επιταχυνόμενης γήρανσής, μέσω του ημι-αναλυτικού μοντέλου Residual Property Model (RPM), το οποίο έχει αναπτυχθεί από τον Καθηγητή Γ.Χ. Παπανικολάου. Το επίτευγμα αυτό θεωρείται σημαντικό στην κατεύθυνση του γρήγορου και ακριβή προσδιορισμού της διάρκειας ζωής και της αξιοπιστίας των ηλιακών κυττάρων για διάφορες εφαρμογές.Ως τρίτος στόχος της διδακτορικής διατριβής τίθεται η περαιτέρω μείωση του κόστους των DSSCs, εστιάζοντας στην ανάπτυξη ηλιακών κυττάρων χωρίς πλατίνα, τα οποία ενσωματώνουν ηλεκτρόδια καθόδου με βάση τον άνθρακα. Μολονότι η συγκεκριμένη έρευνα βρίσκεται σε αρχικά στάδια, τα ηλιακά κύτταρα χωρίς πλατίνα απέδιδαν εξίσου καλά σε σύγκριση με συμβατικά DSSCs, τα οποία ενσωμάτωναν εργοστασιακά διαθέσιμα ηλεκτρόδια καθόδου με βάση την πλατίνα. Τα αποτελέσματα της μελέτης αυτής θεωρούνται σημαντικά στην κατεύθυνση της αύξησης της ανταγωνιστικότητας της τεχνολογίας των DSSCs στη φωτοβολταϊκή αγορά.Τέλος, ως τέταρτος βασικός στόχος της διδακτορικής διατριβής τίθεται η διεύρυνση των πεδίων εφαρμογών των DSSCs, κατά τον οποίο διεξήχθησαν τρεις ξεχωριστές μελέτες. Η πρώτη μελέτη αφορά στην ανάπτυξη υψηλής απόδοσης οπισθο-φωτιζόμενων DSSCs, με τη χρήση απλών και χαμηλού κόστους τεχνικών, βασιζόμενα σε υψηλής οργάνωσης και μεσοπορώδη υλικά, ύστερα από τη βελτιστοποίησή τους για αυτή την εφαρμογή. Κατά τη μελέτη αυτή, η απόδοση που επιτεύχθηκε στα οπισθο-φωτιζόμενα DSSCs αξιολογήθηκε ως αρκετά ικανοποιητική, καθώς ήταν υψηλότερη από την απόδοση αντίστοιχων συμβατικών εμπρόσθια-φωτιζόμενων DSSCs. Σε αυτό το σημείο αξίζει να αναφερθεί ότι η ενεργός επιφάνεια των οπισθο-φωτιζόμενων DSSCs ήταν τετραπλάσια από την αντίστοιχη των συμβατικών εμπρόσθια-φωτιζόμενων DSSCs. Τα αποτελέσματα της μελέτης αυτής θεωρούνται σημαντικά στην κατεύθυνση της ανάπτυξης υψηλής απόδοσης, υψηλής σταθερότητας και χαμηλού κόστους εύκαμπτων DSSCs. Η δεύτερη μελέτη αφορά στην ανάδειξη των παραμέτρων που επηρεάζουν την απόδοση των μεγάλης κλίμακας εύκαμπτων και χωρίς πλατίνα DSSCs, αντικείμενο με διεθνές βιβλιογραφικό κενό. Η μελέτη αυτή συμβάλει στην κατεύθυνση της αύξησης της ανταγωνιστικότητας της τεχνολογίας των DSSCs στη φωτοβολταϊκή αγορά. Τέλος, με γνώμονα τη διαρκώς αυξανόμενη ζήτηση για υψηλής ποιότητας και αξιοπιστίας ηλιακών κυττάρων, τα ηλιακά κύτταρα μελετώνται από μηχανική άποψη. Σε αυτή την περίπτωση, εξετάστηκαν η μηχανική, η δυναμική, καθώς και η βισκοελαστική συμπεριφορά συνθέτων υλικών δομής τύπου sandwich, τα οποία προσομοιώνουν τη δομή ενός εύκαμπτου ημι-στέρεας κατάστασης DSSC. Η μελέτη αφορούσε σε πειράματα κάμψης τριών σημείων των υλικών σε διαφορετικούς ρυθμούς παραμόρφωσης, σε διαφορετικές συχνότητες ταλάντωσης, καθώς και σε πειράματα χαλάρωσης σε διαφορετικές επιβαλλόμενες παραμορφώσεις. Οι προαναφερθείσες δομές κατασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας υλικά τα οποία είχαν ήδη δοκιμαστεί για την καταλληλότητά τους ως προς την εφαρμογή τους στα DSSCs. Η έρευνα αυτή αποτελεί μια προκαταρκτική μελέτη στην κατεύθυνση της κατασκευής ηλιακών κυττάρων υψηλής μηχανικής αντοχής, το οποίο πρόκειται να αποτελέσει ένα δημοφιλές αντικείμενο έρευνας τα επόμενα χρόνια.Οι προαναφερόμενοι στόχοι και οι πραγματώσεις τους συνέβαλαν σημαντικά στο πεδίο έρευνας των DSSCs. Οι μελέτες που παρουσιάζονται στην παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελούν υπόδειγμα πλήρους, συστηματικής και καλά οργανωμένης έρευνας, οδηγώντας σε μια βαθύτερη κατανόηση των διαδικασιών που λαμβάνουν χώρα στα DSSCs. Η εκτεταμένη χρήση τόσων διαφορετικών ερευνητικών μεθόδων και ο επιτυχημένος συνδυασμός των αποτελεσμάτων που προέκυψαν, επέτρεψαν να αντληθούν σημαντικά συμπεράσματα με τα οποία μπορεί να δημιουργηθεί η βάση για την περαιτέρω βελτιστοποίηση των DSSC ή/και άλλων αναδυόμενων φωτοβολταϊκών τεχνολογιών.