Μελέτη και παρασκευή ηλεκτροχημικών συστημάτων και εφαρμογές τους σε φωτοβολταϊκά
Authors: Γκίβαλου Λήδα 
Published: September 2021

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη και η μελέτη φωτοηλεκτροχημικών συστημάτων κβαντικών τελειών καθώς επίσης, η εφαρμογή τους σε διατάξεις μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρισμό. Η ανάγκη αντικατάστασης των συμβατικών ηλιακών στοιχείων πυριτίου, με στόχο τις μεγαλύτερες αποδόσεις και το χαμηλότερο κόστος, οδήγησε στην κατασκευή κυψελίδων με νανοδομημένα υλικά τα οποία εναποτίθενται υπό τη μορφή λεπτών υμενίων. Στην παρούσα διατριβή κατασκευάστηκαν φωτοηλεκτροχημικές κυψελίδες ευαισθητοποιημένες με νανοκρυστάλλους ημιαγωγών (κβαντικές τελείες). Οι κβαντικές τελείες είναι μικροσκοπικά κρυσταλλικά σωματίδια με οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες που εξαρτώνται από το μέγεθός τους. Μερικές από αυτές τις ιδιότητες είναι η μεταβλητότητα των ενεργειακών χασμάτων, η δυνατότητα παραγωγής πολλαπλών εξιτονίων, η φωτοσταθερότητα, η αδρανοποίηση του κελύφους, καθώς και ο υψηλός συντελεστής απορρόφησης, που είναι γνωστό ότι μειώνει το ρεύμα σκότους. Εκτός των σημαντικών τους ιδιοτήτων, θα πρέπει να συνυπολογιστεί και το χαμηλότερο κόστος. Μπορούν να παρασκευαστούν σε ποικιλία σχημάτων και μεγεθών με τεχνικές που παρέχουν άριστο έλεγχο του μεγέθους και να ενσωματωθούν απευθείας σε οπτικοηλεκτρικές συσκευές. Οι κύριες συνιστώσες ενός φωτοηλεκτροχημικού κελιού είναι: (α) το ηλεκτρόδιο ανόδου (φωτοάνοδος), το οποίο αποτελείται από έναν ημιαγωγό ευρέος χάσματος, όπως η τιτάνια και από τον ευαισθητοποιητή, (β) το ηλεκτρόδιο καθόδου (αντιηλεκτρόδιο), το οποίο αποτελείται από κάποιο ευγενές μέταλλο με μεγάλο έργο εξόδου και (γ) τον ηλεκτρολύτη που περιέχει το κατάλληλο οξειδοαναγωγικό ζεύγος.Στα πλαίσια της εργασίας μελετήθηκε τόσο η άνοδος όσο και η κάθοδος των ηλιακών κελιών. Αρχικά κατασκευάστηκαν και χαρακτηρίστηκαν φωτοάνοδοι αποτελούμενες από TiO2 και κβαντικές τελείες CdS, CdS-ZnS και CdSe με σκοπό να μελετηθεί το μέγεθος και η φασματοσκοπική συμπεριφορά κάθε είδους κβαντικών τελειών ξεχωριστά και στη συνέχεια κατασκευάστηκαν φωτοηλεκτρόδια που αποτελούνταν από συνδυασμούς (CdS)CdSe (πυρήνα) φλοιού κβαντικών τελειών. Διερευνήθηκε επίσης η σταθερότητα των φωτοηλεκτροδίων αυτών σε συνθήκες πραγματικής λειτουργίας ενός φωτοβολταϊκού κελιού. Οι συνθήκες αυτές, όπως η έκθεση σε ισχυρή φωτεινή ακτινοβολία, ατμόσφαιρα, καιρικές συνθήκες κ.λ.π. προκαλούν γήρανση και πιθανότατα μεταβολή των αρχικών χαρακτηριστικών και ιδιοτήτων των ηλεκτροδίων. Ακολούθως, μελετήθηκε η επίδραση της δομής του εναποτιθέμενου TiO2 στο φωτοηλεκτρόδιο των ηλιακών κελιών, που είναι ευαισθητοποιημένα με κβαντικές τελείες πυρήνα (φλοιού) CdS-ZnS/CdSe/ZnS. Στόχος του σχεδιασμού και της βελτιστοποίησης του μεσοπορώδους φιλμ TiO2 ήταν η αύξηση της εναποτιθέμενης ποσότητας κβαντικών τελειών, η μείωση της διαδρομής των ηλεκτρονίων στο TiO2 και η αναστολή της επανασύνδεσης των φορτίων. Για την περαιτέρω βελτίωση της απόδοσης των ηλιακών κελιών, ελέγχθηκε η αντίδραση κατά τη διάρκεια σχηματισμού CdSe για τη σύνθεση των κβαντικών τελειών CdSe. Όσον αφορά στο ηλεκτρόδιο καθόδου, μία σειρά υλικών, αποτελούμενα από θειούχο κοβάλτιο και θειούχο χαλκό (CoS-CuS) σε διάφορες αναλογίες πρόδρομων ενώσεων, χρησιμοποιήθηκαν για την ηλεκτροχημική παραγωγή και τον χαρακτηρισμό νέων σύνθετων ηλεκτροδίων καθόδου. Τέλος, με στόχο την περαιτέρω βελτιστοποίηση του ηλεκτροδίου καθόδου, διερευνήθηκε η σύνθεση νανοϋβριδικών υλικών που αποτελούνται από GO σε συνδυασμό με νανοσωματίδια Cu και Co. Μετά τη σύνθεση των νανοϋβριδικών υλικών, ακολούθησε πλήρης χαρακτηρισμός τους και μελέτη της επίδρασης της ποσότητας του μετάλλου στις μορφολογικές, δομικές και ηλεκτροχημικές ιδιότητες του τελικού υλικού, καθώς και στην απόδοση των ηλιακών κελιών.