Κατασκευή ηλεκτροδίων υμενίων τιτανίας για χρήση σε φωτοβολταϊκά κελιά

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο εργαστήριο Ανόργανης και Αναλυτικής Χημείας της Σχολής Χημικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου και είχε ως σκοπό την κατασκευή και τον χαρακτηρισμό ηλεκτροδίων λεπτών υμενίων διοξειδίου του τιτανίου (TiO2) για χρήση σε ηλιακά κελιά φωτοευαίσθητης χρωστικής (DSSCs). Αναλυτικότερα, η ανάπτυξη των λεπτών υμενίων τιτανίας πραγματοποιήθηκε με επίστρωση κολλοειδούς εμπορικής τιτανίας (P25) ή μίγματος τιτανίας – ζιρκονίας ή νανοσωλήνων τιτανίας πάνω σε γυάλινα αγώγιμα υποστρώματα TCO. Οι μέθοδοι επίστρωσης που χρησιμοποιήθηκαν ήταν αυτές των Doctor Blading, Spin Coating και Drop Casting. Τα υμένια εμβαπτίσθηκαν σε φωτοευαίσθητη χρωστική εκχυλισμένη από κόκκινο λάχανο (Brassica oleracea f. rubra), μύρτιλλο (Myrtus communis) και αρόνια (Aronia Melanocarpa). Η πειραματική διαδικασία ολοκληρώθηκε με χαρακτηρισμό των υμενίων με χρήση Προφιλομετρίας, Ηλεκτρονιακού Mικροσκοπίου Σάρωσης (SEM/EDAX), Περίθλασης Ακτίνων Χ (XRD), Φασματοσκοπία Υπεριώδους – Ορατού (UV-Vis) και μέτρηση των φωτοηλεκτρικών χαρακτηριστικών των συναρμολογημένων κελιών DSSC (I-V). Το θεωρητικό μέρος της εργασίας εξετάζει γενικά στοιχεία για τη χρήση φωτοβολταϊκής ενέργειας στον πλανήτη και αποσκοπεί στην κατανόηση των αρχών λειτουργίας των φωτοβολταϊκών κυψελίδων φωτοευαίσθητης χρωστικής. Αντίστοιχα, στο πειραματικό μέρος αναλύονται τα συστήματα που εφαρμόστηκαν για την κατασκευή και τον χαρακτηρισμό των υμενίων και των τελικών κελιών. Τέλος παρουσιάζονται τα αποτελέσματα, σχολιάζονται και καταλήγουμε σε συμπεράσματα περί της απόδοσης του κελιού σε συνθήκες AM 1,5.

This diploma thesis was carried out in the Laboratory of Inorganic and Analytical Chemistry in the faculty of Chemical Engineering in National Technical University of Athens. The purpose of the diploma thesis was the construction and characterization of titanium dioxide (TiO2) thin films photovoltaic electrodes for use in Dye-Sensitized Solar Cells. The titanium dioxide thin films were developed by the production of a common titania paste (P25) or titania – zirconia mixing or titania nanotubes coating over TCO glass semiconductive substrates. The coating methods included Doctor Blading, Spin Coating and Drop Casting. The thin films were immersed into a dye sensitizer extracted from red cabbage (Brassica oleracea f. rubra). The experimental part was completed by coating characterization using Profilometry, Scanning Electron Microscopy (SEM/EDAX), X-Ray Diffraction (XRD), Ultraviolet - Visible Spectroscopy (UV- Vis) and measurement of the photoelectric characteristics of the DSSCs (I–V). The theory of the diploma thesis examines the use of photovoltaic energy over the world and conveys the operation principles of the Dye-Sensitized Solar Cells, whereas the practical part analyses the systems applied for the construction and characterization of the thin films and the final cells. As a conclusion the results are presented and connected to the final cell efficiency in AM 1,5 conditions.