Προηγμένα υλικά για φωτοβολταϊκές διατάξεις ευαισθητοποιημένων ημιαγωγών
Authors: Περγαντή Δωροθέα 
Published: October 2022

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη και η μελέτη προηγμένων υλικών για εφαρμογή σε φωτοβολταϊκές διατάξεις ευαισθητοποιημένων ημιαγωγών. Μια ευαισθητοποιημένη ηλιακή κυψελίδα αποτελείται από το φωτοηλεκτρόδιο ή αλλιώς ένα ημιαγώγιμο στρώμα ευαισθητοποιημένο από μια χρωστική ουσία, τον ηλεκτρολύτη που περιέχει ένα οξειδοαναγωγικό ζεύγος και το αντίθετο ηλεκτρόδιο που αναγεννά το οξειδοαναγωγικό ζεύγος του ηλεκτρολύτη. Ο ρόλος του φωτοηλεκτροδίου είναι καθοριστικός για την εκμετάλλευση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Χαρακτηριστικά, όπως το πάχος του ημιαγώγιμου στρώματος, το πορώδες του και το μέγεθος των σωματιδίων από τα οποία αποτελείται, επηρεάζουν τιςσυνθήκες διάχυσης του οξειδοαναγωγικού ζεύγους στον ηλεκτρολύτη. Για αυτόν τον σκοπό, κατασκευάστηκαν ποικίλα υμένια, ευαισθητοποιημένα με σύμπλοκα ρουθηνίου ή οργανικές χρωστικές, που ενσωματώθηκαν σε φωτοβολταϊκές διατάξεις, οι οποίες και αξιολογήθηκαν.Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν μερικές τροποποιήσεις στο διάλυμα του ηλεκτρολύτη αλλά και το αντίθετο ηλεκτρόδιο. Σκοπός της μελέτης είναι η βελτιστοποίηση των ηλεκτρικών παραμέτρων των διατάξεων.Στη συνέχεια η μελέτη επικεντρώθηκε στην αλληλεπίδραση του οξειδοαναγωγικού ζεύγους με τον ευαισθητοποιητή μέσω της φασματοσκοπίας Raman. Τα συστατικά μιας κυψελίδας παρουσιάζουν το δικό τους ξεχωριστό φάσμα Raman, οπότε μελετώνται είτε ξεχωριστά είτε μέσω των διεπιφανειών που δημιουργούν. Για τον σκοπό της μελέτης, κατασκευάστηκαν φωτοβολταϊκά κελιά ευαισθητοποιημένα με εμπορικά διαθέσιμες χρωστικές που αρχικά αξιολογήθηκαν ως προς τα ηλεκτρικά τους χαρακτηριστικά. Έπειτα, μέσω της φασματοσκοπίας Raman πραγματοποιήθηκε λήψη φασμάτων σε συνθήκες ανοικτού και κλειστού κυκλώματος. Χαρακτηριστικές δονήσεις των συστατικών των κυψελίδων μελετήθηκαν ως προς τη μεταβολή της ισχύος του λέιζερ. Επιπλέον, δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση στη μελέτη των κυψελίδων σε συνθήκες λειτουργίας για την πλήρη κατανόηση των διαφορών που απεικονίζονται στα φάσματα.Η διατήρηση της μακροπρόθεσμης σταθερότητας των ευαισθητοποιημένων ηλιακών κυψελίδων, αποτελεί σημαντικό στοιχείο για την επιτυχή βιομηχανοποίησή τους. Στην παρούσα διατριβή εξετάστηκε η σταθερότητα και ο μηχανισμός αποικοδόμησης ευαισθητοποιημένων ηλιακών κυψελίδων με βάση τον πολικό διαλύτη αίθυλο – ισοπρόπυλο σουλφόνιο. Σφραγισμένα προβιομηχανικά κελιά αξιολογήθηκαν πριν την καταπόνηση καθώς και μετά από 300, 1000 και 3000 ώρες θέρμανσης στους 85οC στο σκοτάδι. Για τη διερεύνηση του ρόλου του διαλύτη εφαρμόστηκε συνδυασμός από πειραματικές τεχνικές, συμπεριλαμβανομένου της γραμμικής βολταμετρίας σάρωσης, την ηλεκτροχημική φασματοσκοπία εμπέδησης, τη φασματοσκοπία υπεριώδους – ορατού και τη φασματοσκοπία Raman/PL.Στη συνέχεια, η διατριβή επικεντρώνεται στην παρασκευή ηλεκτροδίων κολλοειδούς γραφίτηγια χρήση ως αντίθετα ηλεκτρόδια σε ευαισθητοποιημένες ηλιακές κυψελίδες. Τα ηλεκτρόδια χαρακτηρίστηκαν μορφολογικά και δομικά μέσω XRD, SEM και Raman φασματοσκοπίας. Στην πορεία, ενσωματώθηκαν σε συμμετρικές κυψελίδες καθώς και σε ευαισθητοποιημένες ηλιακές κυψελίδες υγρής κατάστασης με βάση το οξειδοαναγωγικό ζεύγος Co2+/3+ και την οργανική χρωστική D35. Αφού αξιολογήθηκε η καταλυτική δράση των ηλεκτροδίων ως προς το οξειδοαναγωγικό ζεύγος, μέσω των τεχνικών της βολταμετρίας και της ηλεκτροχημικής εμπέδησης, χαρακτηρίστηκαν και οι κυψελίδες ως προς τη φωτοβολταϊκή τους απόδοση. Το τελευταίο μέρος της διδακτορικής διατριβής αφορά στις περοβσκιτικές ηλιακές κυψελίδες από ανόργανους περοβσκίτες κασσιτέρου. Παρασκευάστηκαν οι περοβσκιτικές ενώσεις με χημικό τύπο Cs2SnX6 (όπου X = Cl, Br, I) αλλά και ο μεικτός περοβσκίτης Cs2SnI3Br3, και ενσωματώθηκαν ως υλικά μεταφοράς οπών σε ευαισθητοποιημένες ηλιακές κυψελίδες με βάση εμπορικά διαθέσιμες χρωστικές. Ακολούθησε ο χαρακτηρισμός των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών τους καθώς και ο υπολογισμός της αντίστασης μεταφοράς των οπών στη διεπιφάνεια περοβσκίτης/αντίθετο ηλεκτρόδιο πλατίνας μέσω της φασματοσκοπίας ηλεκτροχημικής εμπέδησης. Τέλος, ο ανόργανος περοβσκίτης Cs2SnI6 επιλέχθηκε για τη μελέτη σταθερότητας σφραγισμένων ηλιακών κυψελίδων με βάση τη Z907 χρωστική. Προσδιορίστηκε η σταθερότητα των φωτοβολταϊκών και ηλεκτρικών τους παραμέτρων κατά την αποθήκευσή τους στο σκοτάδι στους 40°C.