Investigation and Optimization of Dye Sensitized Solar Cells under Variable Light Conditions

Mπελεσιώτης, Γεώργιος; Belessiotis, Georgios

dc.contributor.author	Mπελεσιώτης, Γεώργιος	el
dc.contributor.author	Belessiotis, Georgios	en
dc.date.accessioned	2023-03-10T10:57:31Z
dc.date.available	2023-03-10T10:57:31Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/57230
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.24928
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Photovoltaic	en
dc.subject	Electrolyte	en
dc.subject	Solar Cell	en
dc.subject	Artificial Light	en
dc.subject	Sensitizer	en
dc.subject	Φωτοβολταικά	el
dc.subject	Ηλιακά κελιά	el
dc.subject	Ηλεκτρολύτης	el
dc.subject	Τεχνητός Φωτισμός	el
dc.subject	Χρωστική	el
dc.title	Investigation and Optimization of Dye Sensitized Solar Cells under Variable Light Conditions	en
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Chemical Engineering	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-02-01
heal.abstract	The aim of this dissertation is the optimization of photovoltaics based on semiconductors for energy production under low intensity visible artificial light while maintaining or enhancing their performance under solar light. This investigation is focused on photovoltaic power generation with Dye Sensitized Solar Cells (DSSCs), specifically on the optimization of their components for good performance, under both simulated solar light and artificial indoor light (tube lamps of 100-1000 lux intensity). The introductory chapter contains a presentation of the recent advances in the area of photovoltaics, focusing on both lab scale experiments and industrial applications and highlighting the suitability of DSSCs for indoor operation. The “panillumination” perspective for devices that can maintain their performance during radical changes in their lighting environment, is introduced. Furthermore, there is a great focus on DSSCs and their components of interest. After a description of the experimental details of this research in the first chapter, the experimental results are presented. In the second chapter, the electrolyte is the target component for DSSC optimization: a I-/I3- redox electrolyte solution for well performing DSSCs under both indoor and outdoor lighting conditions, is characterized. Electrolyte attributes, including optical and mass transport properties, have been tailored and a good synergy between triiodide content, organic solvent mixture and additives in the electrolyte has been achieved, allowing DSSC adaptability under different lighting types and illumination intensities. The optical and redox properties were evaluated and the electrolyte was tested in DSSCs under different illumination conditions: simulated solar light (from 0.1 to 1 sun) and indoor light (from 100 to 1000 lux). Under indoor lighting, the optimized electrolyte leads to good power conversion efficiency (PCE) values. Moreover, significantly superior performance -compared to iodide-based indoor DSSCs reported in the literature- along with a constantly high fill factor was achieved under 100 mW/cm2 (1 sun) simulated solar light. iv The focus of the third chapter, is the suitability of the new electrolyte in relation to the sensitizer component, with a study covering several common organic and organometallic dyes. The sensitizers were studied in DSSCs under both sunlight (1 sun, 0.1 sun) and indoor fluorescent (200 lux) light sources: The most important factors, with respect to sensitizers, for a good “pan-illumination” performance under radically different light conditions, were deemed to be the suppression of recombination followed by the good spectral matching between absorber and emission source. Good recombination suppression was found to significantly improve the performance under low light. The fourth chapter focuses on a more stable alternative panillumination electrolyte based on the Cs2SnI6 perovskite. Initially, a temperature-variable Raman investigation was performed, providing insight to its stability. After showing excellent stability without no phase change or significant restructuring in this characterization, it performed well as part of a quasi-solid DSSC under indoor light conditions. Finally, in the fifth chapter, general conclusions and perspectives on future research are presented.	en
heal.abstract	Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η βελτιστοποίηση φωτοβολταικών που βασίζονται σε ημιαγωγούς για παραγωγή ενέργειας κάτω από ορατό τεχνητό φως χαμηλής έντασης με παράλληλη διατήρηση ή ενίσχυση της απόδοσής τους κάτω από ηλιακό φως. H έρευνα επικεντρώνεται στην παραγωγή φωτοβολταϊκής ενέργειας απο ηλιακά κελιά φωτοευαισθητοποιημένων ημιαγωγών (DSSCs) και συγκεκριμένα στη βελτιστοποίηση των επιμέρους στοιχείων τους με στόχο την καλή απόδοση, τόσο υπό προσομοιωμένο ηλιακό φως όσο και υπό τεχνητό φως εσωτερικού χώρου (σωληνοειδείς λαμπτήρες έντασης 100-1000 lux). Το εισαγωγικό κεφάλαιο περιέχει μια παρουσίαση της πρόσφατης προόδου στον τομέα των φωτοβολταϊκών, εστιάζοντας τόσο σε πειράματα εργαστηριακής κλίμακας όσο και σε βιομηχανικές εφαρμογές και εξετάζοντας την καταλληλόλητα των DSSC για λειτουργία σε εσωτερικούς χώρους. Παράλληλα εισάγεται η προοπτική πανφωτισμού (“panillumination”) που αφορά διατάξεις που είναι σε θέση να διατηρήσουν την απόδοσή τους κατά τη διάρκεια ριζικών μεταβολών στις συνθήκες φωτισμού τους. Επιπλέον, ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην τεχνολογία DSSCs και στα χαρακτηριστικά των υλικών για την ανάπτυξη των διατάξεων αυτών. Μετα από μια περιγραφή των πειραματικών μεθόδων που εφαρμόστηκαν για την έρευνα αυτή στο πρώτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα. Στο δεύτερο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η βελτιστοποίηση του ηλεκτρολύτη: Χαρακτηρίζεται ένα διάλυμα ηλεκτρολύτη οξειδοαναγωγής I-/I3- για καλές επιδόσεις DSSC τόσο σε συνθήκες εσωτερικού όσο και σε εξωτερικού φωτισμού. Έγινε ρύθμιση οπτικών ιδιοτήτων, ιδιοτήτων μεταφοράς μάζας και άλλων χαρακτηριστικών του ηλεκτρολύτη ώστε να επιτευχθεί μια καλή συνέργεια μεταξύ της περιεκτικότητας σε τριώδιο, του μείγματος οργανικών διαλυτών και των προσθέτων στον ηλεκτρολύτη, επιτρέποντας την προσαρμοστικότητα DSSC σε διαφορετικούς τύπους και εντάσεις φωτισμού. Οι οπτικές και οξειδοαναγωγικές ιδιότητες αξιολογήθηκαν και ο ηλεκτρολύτης δοκιμάστηκε σε DSSC υπό διαφορετικές συνθήκες ακτινοβόλησης: προσομοιωμένο ηλιακό φως (από 0,1 έως 1 ήλιο) και φως εσωτερικού χώρου (από 100 έως 1000 lux). Κάτω από τεχνητό φωτισμό χαμηλής έντασης, ο βελτιστοποιημένος ηλεκτρολύτης οδηγεί σε υψηλές τιμές απόδοσης μετατροπής ισχύος (PCE). Επιπλέον, σημαντικά ανώτερη απόδοση επιτυγχάνεται -σε σχέση με βιβλιογραφικά αναφερόμενα DSSCs vi για εσωτερικούς χώρους με βάση το ιώδιο- μαζί με έναν συνεχώς υψηλό συντελεστή πλήρωσης (fill factor), υπό προσομοιωμένο ηλιακό φως (100 mW/cm2). Στόχος διερεύνησης του τρίτου κεφαλαίο, είναι η καταλληλόλητα του νέου ηλεκτρολύτη σε σχέση με τον ευαισθητοποιητή (χρωστική), με μελέτη μιας σειράς από τις πιο συνήθεις οργανικές και οργανομεταλλικές χρωστικές. Οι χρωστικές μελετήθηκαν σε DSSC υπό ηλιακό φως (1 ήλιος, 0,1 ήλιος) και υπο τεχνητή πηγή φωτός (200 lux): Οι πιο σημαντικοί παράγοντες όσον αφορά τους ευαισθητοποιητές για μια καλή απόδοση "panillumimation" κάτω από ριζικά διαφορετικές συνθήκες φωτισμού, βρέθηκαν ότι είναι η αποφυγή της επανασύνδεσης φορέων και η καλή φασματική συμφωνία μεταξύ απορροφητή και πηγής εκπομπής φωτός. Η υψηλή αντίσταση στην επανασύνδεση φορέων βρέθηκε να ενισχύει σημαντικά την απόδοση υπό χαμηλό φωτισμό. Το τέταρτο κεφάλαιο επικεντρώνεται σε έναν πιο σταθερό εναλλακτικό ηλεκτρολύτη πανφωτισμού με βάση τον περοβσκίτη Cs2SnΙ6. Αρχικά πραγματοποιήθηκε μελέτη του περοβσκίτη με τεχνική Raman σε μεταβαλλόμενη θερμοκρασία για τον έλεγχο της σταθερότητας του. Ο περοβσκίτης παρουσίασε εξαιρετική σταθερότητα χωρίς καμία αλλαγή φάσης ή σημαντική αναδιάρθρωση στην μελέτη αυτή και, στην συνέχεια, παρουσίασε αξιοσημείωτη απόδοση σε ημι-στερεό DSSC υπό συνθήκες φωτισμού εσωτερικού χώρου. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται γενικά συμπεράσματα και προοπτικές για μελλοντική έρευνα.	el
heal.advisorName	Καραγιάννη, Χάιδω	el
heal.advisorName	Karagianni, Chaido	en
heal.committeeMemberName	Kordatos, Kostantinos	en
heal.committeeMemberName	Karagianni, Chaido	en
heal.committeeMemberName	Falaras, Polycarpos	en
heal.committeeMemberName	Hristoforou, Evangelos	en
heal.committeeMemberName	Kontos, Athanasios	en
heal.committeeMemberName	Pavlatou, Evangelia	en
heal.committeeMemberName	Stefanakos, Elias	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.fullTextAvailability	false
heal.fullTextAvailability	false