Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός ηλιακών κυττάρων απο περοβσκίτη σε αμιγώς περιβαλλοντικές συνθήκες
Authors: Καραβιώτη Αγγελική 
Published: June 2022

Η παρούσα διδακτορική διατριβή μελετά την ανάπτυξη και το χαρακτηρισμό των διατάξεων μετατροπής ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική (φωτοβολταϊκών συσκευών), με τη χρήση ημιαγωγών σε αμιγώς περιβαλλοντικές συνθήκες. Αναλυτικότερα, η έρευνα επικεντρώνεται στην κατασκευή ηλιακών κυττάρων 3ης γενιάς και συγκεκριμένα στις ηλιακές κυψελίδες περοβσκιτών (PSCs), όπου ως ευαισθητοποιητής χρησιμοποιείται ο περοβσκίτης του ιωδιούχου μεθυλαμμωνίου του μόλυβδου (methylammonium lead triiodide,CH3NH3PbI3) και η κατασκευή των φωτοβολταϊκών συσκευών βασίζεται στη συμβατική μεσοπορώδη δομή της μορφής n-i-p, χωρίς τη χρήση του στρώματος συλλογής οπών (HTL-Free) με τη χρήση του άνθρακα (carbon-based) ως το αντίθετο ηλεκτρόδιο (CE). Αρχικά, στο 1ο κεφάλαιο εμπεριέχονται οι βασικές έννοιες λειτουργίας των φωτοβολταϊκών συσκευών. Στη συνέχεια, γίνεται αναφορά όλων των φωτοβολταϊκών τεχνολογιών, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στα ηλιακά κύτταρα των περοβσκιτών, και τέλος γίνεται μια σύντομη αναφορά στην παγκόσμια αγορά των φωτοβολταϊκών. Ακολούθως, το 2ο κεφάλαιο εστιάζεται στα ηλιακά κύτταρα των περοβσκιτών. Ουσιαστικά, υπεισέρχονται βασικές έννοιες όπως είναι: η κρυσταλλική δομή των περοβσκιτών, οι βασικές αρχές λειτουργίας των ηλιακών κυττάρων περοβσκιτών (δηλαδή πως δημιουργούνται, μεταφέρονται και εξάγονται οι φορείς φορτίου για την ομαλή λειτουργία της φωτοβολταϊκής συσκευής) και οι διαφορετικές δομές των ηλιακών κυττάρων που είναι εφικτό να κατασκευαστούν. Επίσης, πραγματοποιείται μια βιβλιογραφική αναφορά, η οποία αφορά την εξέλιξη (ποσοστά αποδόσεων και η χρήση διαφορετικών υλικών) των συμβατικών ηλιακών κυψελίδων περοβσκίτη μέχρι και σήμερα. Επιπροσθέτως, αναλύονται οι τεχνικές εναπόθεσης του διαλύματος περοβσκίτη και πραγματοποιείται μια σύντομη περιγραφή στην έννοια του ενεργειακού χάσματος των ημιαγωγών (περοβσκίτες) και του περιορισμού των ποσοστών απόδοσης αυτών των φωτοβολταϊκών συσκευών. Ωστόσο, ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στα ζητήματα σταθερότητας αυτών των φωτοβολταϊκών συσκευών, όπου το βασικό πρόβλημα εντοπίζεται στις συνθήκες υψηλής υγρασίας και αφορά το υπόστρωμα του περοβσκίτη, το στρώμα συλλογής οπών (HTL) και το αντίθετο ηλεκτρόδιο (CE). Τέλος, δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στις ηλιακές κυψελίδες με βάση το ηλεκτρόδιο του άνθρακα (carbon-based) και πραγματοποιείται εκτενής αναφορά στο αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Εν συνεχεία, στο 3ο κεφάλαιο πραγματοποιείται μια βιβλιογραφική ανασκόπηση, η οποία αφορά τα ηλιακά κύτταρα περοβσκιτών με βάση τη χρήση του ηλεκτροδίου του άνθρακα (CB PSCs). Αναλυτικότερα, δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στα υλικά από τα οποία αποτελείται το ηλεκτρόδιο του άνθρακα (δηλαδή τον γραφίτη, το μαύρο άνθρακα, το γραφένιο και τους νανοσωλήνες άνθρακα). Ακολούθως, παρουσιάζονται οι δυο βασικές δομές των φωτοβολταϊκών συσκευών με βάση το ηλεκτρόδιο του άνθρακα (αλληλουχία των στρωμάτων που απαρτίζουν τη φωτοβολταϊκή συσκευή), καθώς και τα πλεονεκτήματα αυτών. Ωστόσο, η χρήση αυτών των δομών δίνει τη λύση του προβλήματος που έγκειται στη σταθερότητα αυτών στο περιβάλλον με το πέρας του χρόνου (δηλαδή μέσω της αντικατάσταση του ηλεκτροδίου του μετάλλου με το ηλεκτρόδιο του άνθρακα). Τέλος, η έρευνα επικεντρώνεται στη χρήση του άνθρακα χαμηλών θερμοκρασιών (LTCB), περιγράφοντας τα πλεονεκτήματα αυτών, τις μεθόδους σύνθεσης και του τρόπους εναπόθεσης τους. Στο 4ο κεφάλαιο παρατίθενται όλα τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν για την παρούσα ερευνητική μελέτη και η μεθοδολογία σύνθεσης και κατασκευής των ηλιακών κυψελίδων. Επίσης, αναφέρονται οι μέθοδοι χαρακτηρισμού του στρώματος περοβσκίτη, οι οποίες είναι η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM), η περίθλαση ακτίνων-Χ (XRD), η φασματοσκοπία υπεριώδους ορατού (UV-Vis) και η φασματοσκοπία υπερύθρου μετασχηματισμού Fourier (FTIR) και οι μέθοδοι χαρακτηρισμού των ηλιακών κυττάρων περοβσκιτών, οι οποίες είναι οι μετρήσεις καμπύλης ρεύματος-τάσης (J-V), η απόδοση του προσπίπτοντος φωτονίου (IPCE) και η φασματοσκοπία ηλεκτροχημικής εμπέδησης (EIS). Μέχρι τώρα, αναλύθηκε το βασικό θεωρητικό υπόβαθρο της παρούσας ερευνητικής εργασίας. Τα επόμενα κεφάλαια δηλαδή το 5ο κεφάλαιο, το 6ο κεφάλαιο και το 7ο κεφάλαιο, πραγματεύονται τα αποτελέσματα που εξάχθηκαν στη συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή. Αναλυτικότερα, στο 5ο κεφάλαιο γίνεται μια εκτενής αναφορά στην τροποποίηση του διαλύματος του ιωδιούχου μεθυλαμμωνίου του μολύβδου (CH3NH3PbI3) με τη χρήση δυο νέων αμινοξέων, δηλαδή του αμινοξέος 4-αμινο μεθυλοπεντανοϊκού ιωδιούχου οξέος (LEUI) και του αμινοξέος 2-αμινο-προπανοϊκού ιωδιούχου οξέος (ALAI) σε σύγκριση με το ευρέως χρησιμοποιούμενο αμινοξύ του 5- αμινοβαλερικού ιωδιούχου οξέος (5AVAI). Επομένως, οι περοβσκίτες που συντέθηκαν ήταν ο 5(AVA)x(MA)1-xPbI3 (αναφορά), ο (LEU)x(MA)1- xPbI3 και ο ALAx (MA)1-xPbI3 και χρησιμοποιήθηκε η δομή του άνθρακα υψηλών θερμοκρασιών (HTCB). Ουσιαστικά, η χρήση αυτών πραγματοποιήθηκε για τη μερική αντικατάσταση του οργανικού μορίου του ιωδιούχου μεθυλαμμωνίου (ΜΑΙ), με στόχο τη βελτίωση της σταθερότητας των φωτοβολταϊκών συσκευών σε συνθήκες περιβάλλοντος. Συγκεκριμένα, η μεγαλύτερη και καλύτερη σταθερότητα των φωτοβολταϊκών συσκευών επετεύχθη με τη χρήση του περοβσκίτη (LEU)x(MA)1-xPbI3 σε ποσοστό 26% , όσον αφορά τη συνολική τους απόδοση, με σχεδόν σταθερές όλες τις ηλεκτρικές παραμέτρους (η πυκνότητα ρεύματος βραχυκύκλωσης (ISC), η τάση ανοιχτού κυκλώματος (VOC) και παράγοντας πλήρωσης (FF)) σε σύγκριση με το ευρέως χρησιμοποιούμενο αμινοξύ 5-AVAI. Το 6ο κεφάλαιο αφορά τη μελέτη της επίδρασης της θερμοκρασίας εναπόθεσης του διαλύματος του περοβσκίτη CH3NH3PbI3 στα ηλιακά κύτταρα περοβσκιτών, με τη χρήση ηλεκτροδίου του άνθρακα χαμηλών θερμοκρασιών (LTCB) σε αμιγώς περιβαλλοντικές συνθήκες. Οι θερμοκρασίες που εξετάστηκαν ήταν οι εξής: -20°C, 20°C, 40°C, 60°C, 80°C και 100°C. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης η βέλτιστη θερμοκρασίας εναπόθεσης βρέθηκε να είναι οι 60°C, με αποδόσεις της τάξης του 10%. Επιπροσθέτως, το 7ο κεφάλαιο αναφέρεται στην αναλυτική μελέτη και στην άμεση σύγκριση της τεχνικής εναπόθεσης μέσω περιστροφής ενός σταδίου (spin-coating) με την τεχνική εκτύπωσης με ψεκασμό μελάνης (inkjet-printing) , η οποία αφορά την εναπόθεση του στρώματος περοβσκίτη, με βάση το ηλεκτρόδιο του άνθρακα χαμηλών θερμοκρασιών (LTCB). Πρακτικά, μελετήθηκαν οι βασικές διαφορές που προέκυψαν μεταξύ αυτών των δυο μεθόδων εναπόθεσης. Εν κατακλείδι, το 8ο κεφάλαιο περιλαμβάνει τα βασικά συμπεράσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής και τις προτάσεις για μελλοντικές ερευνητικές προσπάθειες.