Σύνθεση, χαρακτηρισμός νανοϋβριδικών υλικών GO/Co, GO/Cu και GO/Co-Cu και εφαρμογή τους σε φωτοβολταϊκές κυψελίδες

Τσιχλής, Δημήτριος; Tsichlis, Dimitrios

dc.contributor.author	Τσιχλής, Δημήτριος	el
dc.contributor.author	Tsichlis, Dimitrios	en
dc.date.accessioned	2017-08-28T10:23:13Z
dc.date.available	2017-08-28T10:23:13Z
dc.date.issued	2017-08-28
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/45431
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.14388
dc.rights	Default License
dc.subject	Γραφένιο	el
dc.subject	Οξείδιο του γραφενίου	el
dc.subject	Φωτοβολταϊκές κυψελίδες	el
dc.subject	Ηλεκτρόδια καθόδου	el
dc.subject	Νανοϋβριδικά υλικά	el
dc.subject	Graphene	en
dc.subject	Graphene oxide	el
dc.subject	Solar sensitized cells	el
dc.subject	Cathode electrodes	el
dc.subject	Nanohybrid materials	el
dc.title	Σύνθεση, χαρακτηρισμός νανοϋβριδικών υλικών GO/Co, GO/Cu και GO/Co-Cu και εφαρμογή τους σε φωτοβολταϊκές κυψελίδες	el
dc.title	Synthesis, characterization of the nanohybrid materials GO/Co, GO/Cu and GO/Co-Cu and their application in quantum dot solar sensitized cells	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Χημική τεχνολογία και μηχανική	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/26ef8a85171bd6096109bf5b78a055756bca69b8
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-07-04
heal.abstract	Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός νανοϋβριδικών υλικών οξειδίου του γραφενίου (GO) με μέταλλα, συγκεκριμένα με χαλκό (Cu) και κοβάλτιο (Co) που προστέθηκαν υπό την μορφή των αλάτων CuCl2 και CoCl2 αντίστοιχα, καθώς και η χρήση τους για την κατασκευή ηλεκτροδίων καθόδου σε φωτοβολταικά κελιά ευαισθητοποιημένα με κβαντικές τελείες. Το γραφένιο είναι ένα μονοστρωματικό υλικό όπου τα άτομα του άνθρακα συνδέονται μεταξύ τους με sp2 υβριδισμούς και η διάταξή τους είναι ένα δισδιάστατο εξαγωνικό κυψελοειδές πλέγμα. Τεράστιο είναι το ενδιαφέρον που έχει προσελκύσει, εξαιτίας των εξαιρετικών ιδιοτήτων και της μεγάλης ειδικής επιφάνειας που διαθέτει, χαρακτηριστικά που αποδίδονται στη δισδιάστατη δομή του και το καθιστούν ιδανικό υλικό για πλήθος εφαρμογών σε πεδία όπως η βιοϊατρική, η οπτοηλεκτρονική και η κατάλυση. Παρόμοια δομή με αυτή του γραφενίου έχει και το οξείδιο του γραφενίου, με τη διαφορά ότι στην επιφάνειά του υπάρχει πλήθος υδροφιλικών λειτουργικών ομάδων, όπως εποξυ-, υδροξυλ- και καρβοξυλ- ομάδες, οι οποίες του προδίδουν πολύ καλή διασπορά στο νερό. Παρόλα αυτά, στο GO προσδίδονται, μέσω της αναγωγής του, παρόμοιες ιδιότητες με αυτές του γραφενίου. Για τον λόγο αυτό και το GO αποτελεί την πρώτη επιλογή ως υλικό για την παρασκευή νανοϋβριδικών που βασίζονται στο γραφένιο. Τέλος, εξίσου καλά χαρακτηριστικά διαθέτει και το rGO, γεγονός που το καθιστά πολλά υποσχόμενο υλικό για ηλεκτρικές και οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές. Το γραφένιο είναι ένας ημιαγωγός μηδενικού χάσματος ή ένα ημιμέταλλο. Παρουσιάζει πολύ υψηλή κινητικότητα ηλεκτρονίων, η οποία το καθιστά εξαιρετικά αγώγιμο. Ακόμα, διαθέτει άμεσο ενεργειακό διάκενο, γι’ αυτό μπορεί να απορροφήσει περισσότερα φωτόνια σε μία πολύ λεπτότερη περιοχή σε σύγκριση με το έμμεσο διάκενο ζώνης ημιαγωγών. Χάρις στις εξαιρετικές οπτικές του ιδιότητες μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως διαφανές ηλεκτρόδιο και σε διασυνδέσεις δύο επιμέρους κελιών σε παράλληλα φωτοβολταϊκά και τόσο αυτό όσο και τα παράγωγά του έχουν συγκεντρώσει το επιστημονικό ενδιαφέρον στον τομέα των ηλιακών κυψελίδων. Το γραφένιο, ως αντιανακλαστικό επίστρωμα είναι πολύ σημαντικό σε σχεδιασμούς ηλιακών κελιών, καθώς αυτά τα επιστρώματα εμποδίζουν το εισερχόμενο φως από το να αντανακλάται πίσω στην ατμόσφαιρα. Η χρήση στρωμάτων γραφενίου ως αντιανακλαστική επίστρωση παράγει συγκρίσιμη τιμή ανάκλασης με εκείνη των συμβατικών αντιανακλαστικών επιστρώσεων που χρησιμοποιούνται σε φωτοβολταϊκά. Ο μονοστρωματικός χαρακτήρας του γραφενίου το κάνει ένα ιδανικό επιφανειακό στρώμα για επίπεδη, ανάγλυφη ή κυματοειδή επιφάνεια. Το πρώτο μέρος της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελείται από το θεωρητικό μέρος και αφορά στη βιβλιογραφική προσέγγιση του θέματος. Στο δεύτερο μέρος περιγράφεται λεπτομερώς η πειραματική έρευνα που πραγματοποιήθηκε για την παρασκευή των νανοϋβριδικών υλικών GO/Co, GO/Cu και GO/Co-Cu, όπου αναφέρονται οι πειραματικές διατάξεις και διαδικασίες που χρησιμοποιήθηκαν. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε η σύνθεση του GO, με την τροποποιημένη μέθοδο Hummers, κάνοντας χρήση ισχυρών οξειδωτικών αντιδραστηρίων και, στη συνέχεια, ο σχηματισμός των σωματιδίων Co και Cu πάνω στα νανόφυλλα του GO. Η παρασκευή των νανοϋβριδικών υλικών πραγματοποιήθηκε με τη διαλυτοθερμική μέθοδο, κατά την οποία χρησιμοποιήθηκε αυτόκλειστο από ανοξείδωτο ατσάλι και πραγματοποιήθηκε θέρμανση σε υψηλή θερμοκρασία για πολλές ώρες. Τα νανουβριδικά αυτά υλικά ενσωματώθηκαν επιτυχώς ως ηλεκτρόδια καθόδου σε ηλιακά κελιά ευαισθητοποιημένα με κβαντικές τελείες όπου παρουσίασαν μέγιστη απόδοση 8.73%. Για τον χαρακτηρισμό των δειγμάτων χρησιμοποιήθηκαν διάφορες ενόργανες χημικές μέθοδοι ανάλυσης, όπως Περίθλαση Ακτίνων-X (XRD), Φασματοσκοπία Υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier (FTIR), Φασματοσκοπία Raman, Θερμοβαρυμετρική Ανάλυση (TGA) Ηλεκτρονιακή Μικροσκοπία Σάρωσης – Εκπομπής Πεδίου (SEM-FESEM), Γραμμική Βολταμετρία Σάρωσης (LSV), Ηλεκτρικές Μετρήσεις με χαρακτηριστικά διαγράμματα J-V και Φασματοσκοπία Ηλεκτροχημικής Εμπέδησης (EIS). Με τις παραπάνω μετρήσεις πιστοποιήθηκε ο επιτυχής σχηματισμός των νανοσωματιδίων Co και Cu στα νανόφυλλα GO και λήφθηκαν πληροφορίες σχετικά με την κατανομή και το μέγεθος των σωματιδίων, τη δομή, τη σύσταση, τη μορφολογία και τη θερμική σταθερότητα των νανοϋβριδικών τελικών προϊόντων.	el
heal.abstract	The objective of this thesis is the synthesis and characterization of nanohybrid materials consisting of graphene oxide (GO) and metal particles, specifically of copper (Cu) and cobalt (Co) which were added as the CuCl2 and CoCl2 salts, respectively, in addition to their use for the fabrication of electrodes as athodes in quantum dot solar sensitized cells. Graphene is a single-layered material in which the atoms of carbon are connected with sp2 hybridisms and their arrangement is a two-dimensional hexagonal honeycomb lattice. It has attracted great interest since its discovery, because of its excellent properties and high specific surface area, characteristics that are attributed to the two-dimensional structure and made it an ideal material for numerous applications such as in the field of biomedicine, optoelectronics and catalysis. Graphene oxide has a similar structure to graphene, except that the surface of GO has a large number of hydrophilic functional groups, such as epoxy-, hydroxyl- and carboxyl- groups, that provide to GO a very good dispersity in water. However, the reduction of GO leads to a material (rGO) with similar properties with that of graphene. Therefore, GO has become the first choice for many preparation of grapheme-based on nanohybrid materials. Finally, rGO due to its high conductivity, great flexibility and good optical transparency is a potential material for electric and optoelectronic applications. Graphene is semiconductor of zero gapor a semi-metal. It displays very high electrons’ mobility, which makes it exceptionally conductive. Furthermore, it posseses direct energy interstice, so it is able to absorb more photons on a much finer area in comparison to the indirect zone interstice of the semiconductors. Thanks to its exceptional optical attributes, it can be used as transparent electrode in interconnections of two individual cells in parallel solar panels and both the graphene and its spinoffs have concentrated the scientific interest in the field of solar cells. Graphene as anti-reflective sheet is very important in the design of solar panels, since these sheets prevent the incoming light from reflecting back to the atmosphere. The use of graphene layers as anti-reflective sheets produces a reflecting value which can be compared to that of the conventional anti-reflective sheets which are used in solar panels. The one-layered characteristic of graphene makes it one ideal superficial sheet for a flat, embossed or undulant surface. The first part of the present thesis consists of theoretical analysis and referring to literature approach while the second part describes step by step the experimental process and techniques used for the synthesis of nanohybrid materials GO/Co, 8 GO/Cu and GO/Co-Cu and also includes the experimental results as well as the conclusions withdrawn from this search. At first GO was produced, with the modified Hummers method, by oxidation of graphite using strong oxidizing reagents and, then, the Co and Cu particles were formed onto the GO nanosheets. The nanohybrid materials were synthesized using the solvothermal method, in which we used a stainless steel autoclave for the synthesis under high temperatures for many hours. These nanohybrid materials were successfully assimilated as cathodes in quantum dot solar sensitized cells that displayed a maximum efficiency of 8.73%. The samples’ characterization occurred by various instrumental chemical methods of analysis, such as X- Ray Diffraction (XRD), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Raman Spectroscopy, Thermogravimetric Analysis (TGA), Field Emission Scanning Electron Microscopy –(SEM- FESEM), Linear Scanning Voltammetry (LSV), Electrical Measurements with characteristics diagrams J-V and electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). The successful formation of Co and Cu particles onto GO nanosheets was verified by the above methods of analysis and significant data about distribution and size of particles, chemical structure, morphology and thermal stability of the final material were collected.	en
heal.advisorName	Κορδάτος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Καραγιάννη, Χάιδω-Στεφανία	el
heal.committeeMemberName	Κόλλια, Κωνσταντίνα	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Χημικών Επιστημών (I)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	110 σ.
heal.fullTextAvailability	true