Νανοδομημένα και πολυμερή υλικά για εφαρμογή σε ηλιακές κυψελίδες και φωτο-ηλεκτροχρωμικές διατάξεις
Authors: Θεοδοσίου Κρυσταλλία 
Published: September 2021

Οι αυξανόμενες ενεργειακές απαιτήσεις έχουν ως αποτέλεσμα την εξάντληση των φυσικών πόρων, τη ρύπανση του περιβάλλοντος και την κλιματική αλλαγή. Συνεπώς είναι αναγκαία η στροφή στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, με την ηλιακή ενέργεια να διαδραματίζει πρωταγωνιστικό ρόλο. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας μέσω των φωτοβολταϊκών διατάξεων, που την μετατρέπουν σε ηλεκτρική. Η παρούσα διδακτορική διατριβή μελετά υλικά για φωτοβολταϊκά 3ης γενιάς και συγκεκριμένα για οργανικές ηλιακές κυψελίδες διεσπαρμένης ετεροεπαφής. Η βελτιστοποίηση αυτών των οργανικών ηλιακών κυψελίδων, συνδέεται άμεσα με την ανάπτυξη νέων υλικών που θα χρησιμοποιηθούν ως δότες ή δέκτες ηλεκτρονίων στο ενεργό στρώμα των κυψελίδων. Η παρούσα έρευνα επικεντρώθηκε στον ηλεκτροχημικό χαρακτηρισμό πολυμερικών δοτών ή δεκτών ηλεκτρονίων χρησιμοποιώντας την τεχνική της κυκλικής βολταμμετρίας με την οποία προσδιορίστηκαν τα ανώτατα κατειλημμένα μοριακά τροχιακά (HOMO), τα κατώτατα μη κατειλημμένα μοριακά τροχιακά (LUMO) και το ηλεκτροχημικό ενεργειακό χάσμα Εg. Η γνώση αυτών επιτρέπει την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με το αν ευνοείται ενεργειακά ο συνδυασμός των διαφόρων υπό μελέτη δοτών ή δεκτών ηλεκτρονίων και διευκολύνει τον σχεδιασμό μιας αποδοτικής οργανικής ηλιακής κυψελίδας.Η εξοικονόμηση ενέργειας έχει κεφαλαιώδη σημασία στην αντιμετώπιση του ενεργειακού ζητήματος. Στο κέντρο της επιστημονικής έρευνας βρίσκεται η μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης στον κτηριακό τομέα. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται οι ηλεκτροχρωμικές διατάξεις («έξυπνα παράθυρα») και οι φωτο-ηλεκτροχρωμικές διατάξεις, δηλαδή ηλεκτροχρωμικές διατάξεις στις οποίες έχουν ενσωματωθεί ευαισθητοποιημένες φωτοβολταϊκές κυψελίδες (Dye Sensitized Solar Cells, DSSCs), με αποτέλεσμα να μπορούν να λειτουργούν αυτόνομα. Η έρευνα στον τομέα των φωτο-ηλεκτροχρωμικών βρίσκεται σε πρώιμο στάδιο. Οι φωτο-ηλεκτροχρωμικές διατάξεις που έχουν αναπτυχθεί μέχρι τώρα παρουσιάζουν αρκετά προβλήματα, τα οποία εστιάζονται στις μικρές φωτοβολταϊκές αποδόσεις, την μικρή αντίθεση χρωματισμού καθώς και προβλήματα σταθερότητας για λειτουργία υπό πραγματικές συνθήκες. Επομένως είναι επιτακτική η βελτιστοποίηση τους. Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής έρευνας, εξετάστηκε η αντικατάσταση της χρωστικής συμπλόκων ρουθηνίου Ν719, που χρησιμοποιήθηκε στην ευαισθητοποίηση των DSSCs των φωτο-ηλεκτροχρωμικών διατάξεων, με οργανικές χρωστικές που προσδένονται στο διοξείδιο του τιτανίου μέσω ομάδων υπερφθοροφαινυλίου. Στα πλαίσια βελτιστοποίησης των φωτο-ηλεκτροχρωμικών διατάξεων, επιχειρήθηκε παρέμβαση στον ηλεκτρολύτη. O υγρός ηλεκτρολύτης αντικαταστάθηκε από ηλεκτρολύτες γέλης που προέκυψαν με την προσθήκη των πολυμερών poly-methyl-methacrylate (PMMA) και poly-ethylene oxide (PEO) στον υγρό ηλεκτρολύτη. Mελετήθηκε η επίδραση της %w/w περιεκτικότητας και του μοριακού βάρους του πρόσθετου PMMA στον ηλεκτρολύτη, στα οπτικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των διατάξεων. Επίσης εξετάστηκε ποιο από τα δύο πολυμερή αποτελεί ιδανικότερο υποψήφιο για τη ζελατινοποίηση του ηλεκτρολύτη. Ακόμη διερευνήθηκε η αντοχή και η σταθερότητα των διατάξεων με πειράματα μακρού χρόνου. Πραγματοποιήθηκε μελέτη της λειτουργίας των φωτο-ηλεκτροχρωμικών διατάξεων υπό πραγματικές συνθήκες. Αξιοσημείωτη ήταν η αύξηση της διάρκειας ζωής των διατάξεων αυτών σε σύγκριση με αυτή των διατάξεων υγρού ηλεκτρολύτη. Τέλος αντικαταστάθηκε το οξειδοαναγωγικό ζεύγος I-/I-3 του υγρού ηλεκτρολύτη με αυτό του Co2+/Co3+. Κατασκευάστηκαν φωτο-ηλεκτροχρωμικές διατάξεις και διαπιστώθηκε η επίδραση του Co2+/Co3+ στο μηχανισμό απωλειών στη διεπιφάνεια WO3/ηλεκτρολύτη.