Χαμηλού Κόστους Ηλεκτροκάθοδοι Με Βάση το Ni Για Φωτοευαισθητοποιημένες Ηλιακές Κυψελίδες

Abstract

Οι Φωτοευαισθητοποιημένες Ηλιακές Κυψελίδες, DSC’s είναι συσκευές οι οποίες μετατρέπουν την ηλιακή σε ηλεκτρική ενέργεια, με υλικά που είναι ιδιαίτερα υποσχόμενα, εξαιτίας του μικρού κόστους παραγωγής τους, της ευκολίας παραγωγής τους και της σχετικά υψηλής τους απόδοσης. Η σταθερή ανάγκη για βελτιστοποίηση της λειτουργίας των Φωτοευαισθητοποιημένων Ηλιακών Κυψελίδων , έχει οδηγήσει την επιστημονική κοινότητα στην ανάπτυξη φωτοβολταικών μονάδων περιέχοντας νέα υλικά και νέες τεχνολογίες. Το αντίθετο ηλεκτρόδιο είναι ένα από τα σημαντικότερα εξαρτήματα των Φωτοευαισθητοποιημένων Ηλιακών Κυψελίδων. Ο ρόλος του αντίθετου ηλεκτροδίου είναι η αναγωγή των οξειδοαναγωγικών ειδών που χρησιμοποιούνται ως μεσολαβητές στην αναπαραγωγή του ευαισθητοποιητή (χρωστική) ύστερα από την έγχυση του ηλεκτρονίου, ή τη συλλογή των οπών από τον ημιαγωγό στη θεμελιώδη κατάσταση της DSC. Για την κατασκευή ενός οικονομικού κελιού είναι απαραίτητη η δημιουργία ενός χαμηλού κόστους υλικού για το ρόλο του αντίθετου ηλεκτροδίου, με υψηλή καταλυτική δράση. Στην παρούσα εργασία περιγράφεται η σύνθεση των υλικών με βάση το Ni ως αντίθετων ηλεκτροδίων με τη μέθοδο της ηλεκτρολυτικής συναπόθεσης. Τα άμορφα αποθέματα μήτρας Ni-P και Ni-P-TiO2 καθώς και των Ni/MWCNTs-Al2O3 παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο της ηλεκτρολυτικής συναπόθεσης με την εφαρμογή τόσο συνεχούς(DC) όσο και παλμικού ρεύματος(PC) σταθερής φοράς, από λουτρό τύπου Watts απουσίας προσθέτων . Οι αποθέσεις πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση ηλεκτροδίου περιστρεφόμενου δίσκου (RDE). Η κατάλληλη τιμή του pH του λουτρού και η επιβαλλόμενη πυκνότητα ρεύματος επιλέχθηκε για παρασκευή κραμάτων ενδιάμεσης περιεκτικότητας φωσφόρου περίπου 12%wt, εξασφαλίζοντας την άμορφη δομή των αποτιθέμενων επικαλύψεων. Οι τιμή του pH στο λουτρό για τις επικαλύψεις Ni/MWCNTs-Al2O3 διατηρήθηκε σταθερό στο 3.5. Εφαρμόστηκε παλμικό ρεύμα σταθερής φοράς (PC) με σταθερό κύκλο φόρτισης-εκφόρτισης των παλμών (duty cycle) 50% και συχνότητας παλμών 1000Hz και 100Hz. Ο χρόνος της απόθεσης επιλέχθηκε με σκοπό την παρασκευή αποθεμάτων με πάχος τουλάχιστον . Η σκόνη TiO2(EVONIC P25) μέσης διαμέτρου 21nm χρησιμοποιήθηκε όπως ελήφθη χωρίς συγκεκριμένη προεπεξεργασία. Τα σωματίδια της τιτανίας διατηρήθηκαν σε αιώρηση για τουλάχιστον 24 ώρες πριν την ηλεκτραπόθεση όπως και κατά την διάρκεια της μέσω μηχανικής μαγνητικής ανάδευσης 250 rpm. Τα Ηλεκτροχημικά αποθέματα χαρακτηρίστηκαν μέσω της μεθόδου της Περίθλασης Ακτίνων Χ (XRD), της Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης (SEM) και της Ανάλυσης με Διασπορά Ακτίνων Χ (EDX).Τέλος ακολούθησε θερμική επεξεργασία στους 400ΟC με αποτέλεσμα την σύνθεση κρυστάλλων του Ni και του Ni3P. Η ηλεκτροχημική καταλυτική δράση και σταθερότητα των αντίθετων ηλεκτροδίων με βάση το Ni μελετήθηκε μέσω Ποτενσιοστατικής Κυκλικής Βολταμετρίας, υπό ενός I-/ I3- ηλεκτροχημικού συστήματος. Για λόγους σύγκρισης πραγματοποιήθηκε η μελέτη της ηλεκτροχημικής καταλυτικής δράσης των DSC’s με ένα ηλεκτρόδιο αποτεθειμένου Pt σε επιφάνεια Pt (Pt black). Μεταξύ των τεσσάρων ειδών αντίθετων ηλεκτροδίων που παρασκευάστηκαν ηλεκτροχημικά, τα ηλεκτροχημικά αποθέματα Ni-P ως αντίθετα ηλεκτρόδια απέδωσαν μια ενδιαφέρον καταλυτική δράση για την αναγωγή της αντίδρασης I3- + 2e- = 3I- στην διεπιφάνεια αντίθετου ηλεκτροδίου/ ηλεκτρολύτη, συγκρινόμενα αντίστοιχα με την καταλυτική δράση του αποτεθειμένου ηλεκτροδίου Pt σε επιφάνεια Pt (Pt black). Για την αξιολόγηση της απόδοσης των φωτοβολταικών στοιχείων με τις νέες υποσχόμενες αντικαθόδους ευαισθητοποιημένες από τον ηλεκτρολύτη A N719 και B I18 , οι DSCs δομήθηκαν και καταγράφηκαν οι καμπύλες I–V.

Dye-sensitized solar cells (DSCs) are promising materials for light-to-energy conversion devices due to their low-cost, easy fabrication and relative high conversion efficiency. The constant need to optimize the operation of the DSC, i.e. at low cost and high efficiency has led the scientific community to develop photovoltaic units involving new materials and new technologies. The counter electrode is one of the most important components in the DSC’s. The task of the counter electrode (CE) is the reduction of the redox species used as a mediator in regenerating the sensitizer after electron injection, or collection of the holes from the hole conducting material in a solid-state DSC. To make an inexpensive cell one should consider a low cost material for the CE, choosing a material with a high rate of reduction of the redox electrolyte. In this work, a composite electrodeposition technique, used to prepare Ni based cathodes is described. Ni-based cathodes with high corrosion resistance and sufficient conductivity have already been used as an attractive low cost substitute. Ni-P , Ni–P-TiO2 and Ni/MWCNTs-Al2O3 coatings were electrolytically deposited under both Direct (DC) and Pulse (PC) conditions from an additive-free nickel Watts. The electrodeposition experiments were performed on rotating disc electrodes (RDE). The pH of the bath and applied current density were adjusted to such values in order to achieve phosphorus content in the alloy matrix above 12%w/w, assuring the amorphous structure of the as-deposited coatings. As for the Ni/MWCNTs-Al2O3 coatings the pH of the bath was kept constant at 3.5.Under pulse current conditions, the duty cycle was kept constant at 50% as well as the frequency of the imposed pulses at 1000 Ηz and 100Hz. The deposition time was selected in order to achieve deposit thickness at least ~20μm. The TiO2 powder (EVONIC P25) with a mean diameter of 21 nm was used as received without any pretreatment. Titania particles were maintained in suspension by continuous magnetic stirring of 250 rpm for at least 24h before deposition, as well as during the electrolysis process. The resulting CEs were characterized using X-ray Diffraction (XRD) , Scanning Electron Microscopy (SEM) and Energy-dispersive X-ray Spectroscopy (EDX). Some of the coatings were thermally treated at 400 oC resulting to a crystalline structure composed by crystals of Ni and Ni3P. The electrochemical catalytic activity and stability of Ni-based CEs were examined by cyclic voltammetry under I-/I3- electrochemical system. For comparison reasons the electrochemical catalytic activity of the DSC’s with a Pt black counter electrode were also realized. Among the four types of counter electrodes prepared by electrodeposition, the electrodeposited- NiP counter electrode has rendered an interesting catalytic activity for the reduction reaction I3− +2e−→3I− at the counter electrode/electrolyte interface , comparable respectively with the catalytic activity of the Pt black counter electrode. To evaluate the photovoltaic performance of the commercial TiO2 films with new cathodes sensitized by the electrolyte A (N719 dye) and electrolyte B (I18 dye), DSCs were constructed and the I–V curves of the cells were recorded.