Investigation and optimization of dye-sensitized solar cells, under variable lighting conditions

Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η βελτιστοποίηση συστημάτωνπου βασίζονται σε ημιαγωγούς για παραγωγή ενέργειας κάτω από ορατό τεχνητό φωςχαμηλής έντασης με παράλληλη διατήρηση ή ενίσχυση της απόδοσής τους κάτω απόηλιακό φως. Αυτή η έρευνα επικεντρώνεται στην παραγωγή φωτοβολταϊκήςενέργειας απο φωτοευαισθητοποιημένα ηλιακά κύτταρα (DSSCs) και συγκεκριμέναστη βελτιστοποίηση των επιμέρους στοιχείων τους με στόχο την καλή απόδοση, τόσουπό 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 στοντομέα των φωτοβολταϊκών εσωτερικών χώρων, εστιάζοντας τόσο σε πειράματαεργαστηριακής κλίμακας όσο και σε βιομηχανικές εφαρμογές και υπογραμμίζονταςτην καταλληλότητα των DSSC για λειτουργία σε εσωτερικούς χώρους καιεισάγωντας την προοπτικής “panillumination” για συσκευές που είναι σε θέση ναδιατηρήσουν την απόδοσή τους κατά τη διάρκεια ριζικών αλλαγών στο περιβάλλονφωτισμού τους. Επιπλέον, παρουσιάζεται μια εισαγωγή στα DSSCs και σταεπιμέρους κομμάτια τους, στα οποία εστιάζεται αυτή τη διατριβή. Μετα από μιαπεριγραφή των πειραματικών μεθόδων που εφαρμόστηκαν στην διατριβή,παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα. Στο δεύτερο κεφάλαιο, οηλεκτρολύτης είναι ο στόχο για τη βελτιστοποίηση DSSC: παρουσιάζεται καιχαρακτηρίζεται ένα διάλυμα ηλεκτρολύτη οξειδοαναγωγής I-/I3- για καλές επιδόσειςDSSC τόσο σε συνθήκες εσωτερικού όσο και σε εξωτερικού φωτισμού. Ταχαρακτηριστικά του ηλεκτρολύτη, συμπεριλαμβανομένων των ιδιοτήτων χρώματοςκαι μεταφοράς μάζας, έχουν προσαρμοστεί και έχει επιτευχθεί μια καλή συνέργειαμεταξύ της περιεκτικότητας σε τριιωδίδιο, του μείγματος οργανικών διαλυτών καιτων προσθέτων στον ηλεκτρολύτη, επιτρέποντας την προσαρμοστικότητα DSSC σεδιαφορετικούς τύπους φωτισμού και εντάσεις φωτισμού. Οι οπτικές καιοξειδοαναγωγικές ιδιότητες αξιολογήθηκαν και ο ηλεκτρολύτης δοκιμάστηκε σεDSSC υπό διαφορετικές συνθήκες φωτισμού: προσομοιωμένο ηλιακό φως (από 0,1 έως 1 ήλιο) και φως εσωτερικού χώρου (από 100 έως 1000 lux). Κάτω από φωτισμόεσωτερικού χώρου, ο ηλεκτρολύτης οδηγεί σε τιμές απόδοσης μετατροπής ισχύος (PCE) κοντά σε αυτές για τα κελιά με βάση το ιώδιο με την καλύτερη απόδοση, που αναφέρονται στη βιβλιογραφία. Επιπλέον, σημαντικά ανώτερη απόδοση, μαζί με έναν συνεχώς υψηλό συντελεστή πλήρωσης (fill factor), επιτεύχθηκε υπό προσομοιωμένοηλιακό φως (100 mW/cm2).Στο τρίτο κεφάλαιο, το στοιχείο για τη βελτιστοποίηση DSSC είναι οευαισθητοποιητής (χρωστική), με μια μελέτη εστιασμένη σε χρωστικές για τηναπόδοση των ηλιακών κυψελών τόσο σε ηλιακό φως όσο και σε εσωτερικές πηγέςφωτισμού. 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 αφοράτους ευαισθητοποιητές για μια καλή απόδοση "panillumimation" κάτω από ριζικάδιαφορετικες συνθήκες φωτισμού, βρέθηκαν ότι είναι η καταστολή τηςεπανασύνδεσης φορέων και η καλή φασματική συμφωνία μεταξύ απορροφητή καιπηγής εκπομπής φωτος. Η χαμηλή αντίσταση στην επανασύνδεση βρέθηκε ναβλάπτει σημαντικά την απόδοση υπό χαμηλό φωτισμό, ακόμη και με μεγάληφασματική συμφωνία. Στο τέταρτο κεφάλαιο, η μελέτη περνά στους Cs2SnI6 περοβσκίτες, που είναι σταθεροί στον αέρα, με ευνοϊκές δομικές, οπτικές καιμεταφορικές ιδιότητες. Πραγματοποιείται μελέτη Raman με μεταβαλλόμενεςθερμοκρασίες για την μελετη της σταθερότητας τους και της δυναμικής τουπλέγματος τους. Η ισχυρή αναρμονικότητα του πλέγματος για τις χημικά σταθερέςενώσεις Cs2SnΙ6 μπορεί να συναχθεί από τα αποτελέσματα, η οποία είναι μια βασικήπτυχή για την απόδοσή τους σε οπτοηλεκτρονικές και θερμοηλεκτρικές εφαρμογές.Αυτά τα υλικά παρουσιάζουν εξαιρετική σταθερότητα χωρίς καμία αλλαγή φάσης ήσημαντική αναδιάρθρωση. Τέλος, o σταθερός περοβσκιτης Cs2SnI6 χρησιμοποιείται σε έναν ημι-στερεό DSSC και η απόδοσή του αξιολογείται υπό συνθήκες φωτισμούεσωτερικού χώρου, οδηγώντας σε εναν πιο σταθερό εναλλακτικό ηλεκτρολύτη γιαDSSC πανφωτισμού. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται γενικάσυμπεράσματα και προοπτικές για μελλοντική έρευνα.