Ευαισθητοποίηση διοξειδίου του τιτανίου με κβαντικές τελείες ημιαγώγιμων σουλφιδίων PbS και CdS

Abstract

Η διαρκής ανάγκη για βελτιστοποίηση της λειτουργίας των ηλιακών κυψελίδων με μικρότερο κόστος και υψηλότερες αποδόσεις, έχει οδηγήσει την επιστημονική κοινότητα στην ανάπτυξη φωτοβολταϊκών στοιχείων που χρησιμοποιούν νέα υλικά και νέες τεχνολογίες. Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζονται οι φωτοευαισθητοποιημένες ηλιακές κυψελίδες κβαντικών τελειών QDSSCs (Quantum Dots Sensitized Solar Cells). Οι QDSSCs έχουν την ίδια δομή και λειτουργία με τις φωτοευαισθητοποιημένες ηλιακές κυψελίδες χρωστικής DSSCs (Dye Sensitized Solar Cells) με μόνη διαφορά το υλικό ευαισθητοποίησης το οποίο είναι ένας ημιαγωγός νανομετρικών διαστάσεων και όχι μια μοριακή χρωστική ουσία. Οι ημιαγώγιμοι νανοκρύσταλλοι έχουν την ιδιότητα να μεταβάλλουν την τιμή του ενεργειακού τους χάσματος ανάλογα με το μέγεθός τους δίνοντας έτσι την δυνατότητα επέκτασης της φασματικής απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας από τα ευαισθητοποιημένα υμένια κατά επιθυμητό τρόπο. Στα κεφάλαια που ακολουθούν περιγράφονται αναλυτικά οι οπτικές ιδιότητες και τα δομικά χαρακτηριστικά των σουλφιδίων μολύβδου και καδμίου τα οποία έχουν εναποτεθεί σε μεσοπορώδη υποστρώματα TiO2 μέσω της διαδοχικής διαδικασίας προσρόφησης και αντίδρασης ιοντικών στρωμάτων SILAR (Successive Ionic Layer Absorption and Reaction). Τα ευαισθητοποιημένα με κβαντικές τελείες PbS και CdS υμένια τιτανίας εξετάστηκαν συγκριτικά μεταξύ τους διεξάγοντας μετρήσεις φασματοσκοπίας διάχυτης ανακλαστικότητας και διαπερατότητας DRT (Diffuse Reflectance Transmittance)καθώς και μετρήσεις micro Raman. Χρησιμοποιήθηκαν τέσσερα διαφορετικά υποστρώματα διοξειδίου του τιτανίου τα οποία διαφέρουν μεταξύ τους ως προς το πάχος, την δομή και τα επιφανειακά χαρακτηριστικά τους. Τα δείγματα που κατασκευάστηκαν μελετήθηκαν ως προς την οπτική τους απορρόφηση, την αντοχή τους στην οξείδωση και την εξάρτηση του μεγέθους των κβαντικών τελειών που σχηματίζονται στην επιφάνεια τους από τον αριθμό των κύκλων SILAR που εφαρμόζονται. Μετά την απευθείας ανάπτυξη των PbS και CdS QDs πάνω στο TiO2 υπάρχει εμφανής μείωση της εξιτονικής τους εκπομπής η οποία επιβεβαιώνει τη διεπιφανειακή μεταφορά φορτίων μεταξύ κβαντικών τελειών και τιτανίας. Από την μελέτη των πειραματικών αποτελεσμάτων βρέθηκε ότι η οπτική απορρόφηση των υμενίων CdS/TiO2 μπορεί να ρυθμιστεί επιτυχώς μέσα σε ένα περιορισμένο φασματικό εύρος εντός του ορατού μέρους του φάσματος. Από την άλλη, τα υμένια Pbs/TiO2 εμφανίζουν μία αξιοσημείωτη ρυθμιστικότητα του ενεργειακού τους χάσματος το οποίο μπορεί να εκτείνεται από το ορατό έως το κοντινό υπέρυθρο εξαιτίας των ευδιάκριτων φαινομένων κβάντωσης μεγέθους που παρουσιάζουν οι κβαντικές τελείες PbS.Παρόλα αυτά, τα ευαισθητοποιημένα με PbS υμένια υπόκεινται σε σοβαρή οξείδωση όταν παραμένουν εκτεθειμένα στον αέρα έστω και για μερικά λεπτά. Τα φαινόμενα οξείδωσης είναι λιγότερο έντονα για τα υμένια CdS/TiO2 καθώς οι κβαντικές τελείες CdS είναι πιο σταθερές, δυστυχώς όμως εμφανίζουν σημαντική φωτοχημική διάβρωση υπό την ακτινοβόληση ορατού φωτός.

The constant need to optimize the operation of solar cells, i.e. at low cost and high efficiency has led the scientific community to develop photovoltaic units involving new materials and new technologies. This thesis presents quantum dots sensitized solar cells (QDSSCs) which have the same structure and function as the dye sensitized solar cells (DSSCs); the only difference between them is the sensitizer which is a nanostructure semiconductor material and not a molecular dye. The semiconductor quantum dots have a tunable band gap, depending on their size and thereby enabling one to extend the spectral absorption of sensitized films up to the required wavelength. In the following chapters, a presentation is given of the optical and structural properties of cadmium and lead sulfide nanocrystals deposited on mesoporous TiO2 substrates via the successive ionic layer adsorption and reaction (SILAR) method. The PbS and CdS quantum dots sensitized titania films were comparatively investigated by diffuse reflectance and transmittance spectroscopy (DRT) and micro-Raman measurements. Four different titanium dioxide substrates were used differing in the thickness, structure and surface properties. Absorption spectra, resistance to oxidation and quantum dots size dependence on the applied number of SILAR cycles are studied analytically for the different samples. Enhanced interfacial electron transfer is evidenced upon direct growth of both CdS and PbS on TiO2 through the marked quenching of their excitonic emission. A review of the experimental results shows that the optical absorbance of CdS/TiO2 can be tuned over a narrow spectral range. On the other hand, PbS/TiO2 films exhibit a remarkable band gap tunability, extending from the visible to the NIR range, due to the distinct quantum size effects of PbS quantum dots. However, PbS/TiO2 suffer from severe degradation upon air exposure. Degradation effects are much less pronounced for CdS/TiO2, which is appreciably more stable, though it degradates readily upon visible light illumination, in presence of air.