Φασματοσκοπικός χαρακτηρισμός φωτοηλεκτροχημικών ηλιακών κυψελίδων

Abstract

Τα συστατικά μιας ευαισθητοποιημένης φωτοηλεκτροχημικής κυψελίδας μελετήθηκαν ξεχωριστά στην παρούσα διδακτορική διατριβή: υμένιο, χρωστική και ηλεκτρολύτης. Αρχικά, ένας νέος σύνθετος ηλεκτρολύτης παρασκευάστηκε με βάση το πολυμερές του πολυαιθυλενοξειδίου που στερεοποιεί τον κλασσικό υγρό ηλεκτρολύτη. Προσθήκη ημιαγώγιμων νανοσωματιδίων βελτιώνει καταρχάς τη μηχανική σταθερότητα του παραπάνω στερεού συστήματος αλλά και ελαχιστοποιεί την κρυσταλλικότητά του. Στην άμορφη του φάση, το πολυμερές κινείται τμηματικά και παράλληλα κινούνται διαμέσου των ελεύθερων χώρων των ανθρακικών αλυσίδων και τα ιόντα του οξειδοαναγωγικού ζεύγους. Ο στερεός αυτός ηλεκτρολύτης παρουσίασε εντυπωσιακές ολικές αποδόσεις ενεργειακής μετατροπής, της τάξεως του 4,55 % υπό έναν ήλιο-τη μεγαλύτερη απόδοση στη βιβλιογραφία για έναν ηλεκτρολύτη που δεν περιέχει κανένα πτητικό στοιχείο.Στη συνέχεια υμένια TiO2 και SnO2 παρασκευάστηκαν με γνωστές βιβλιογραφικές μεθόδους και χρησιμοποιήθηκαν ως ηλεκτρόδια σε ευαισθητοποιημένες κυψελίδες με τον παραπάνω στερεό ηλεκτρολύτη. Η επιφανειακή μελέτη των υμενίων (κυρίως μέσω της Μικροσκοπίας AFM) κατέδειξε οτι για την βέλτιστη απόδοση ενός υμενίου απαιτείται ο συνδυασμός αυξημένων τιμών τόσο της μορφοκλασματικής διάστασης όσο και της τραχύτητάς του. Πλούσια σε επιφανειακά χαρακτηριστικά υμένια τιτανίας που αποδείχθησαν αυτά με την καλύτερη απόδοση σε στερεές κυψελίδες χρησιμοποιήθηκαν ως υπόστρωμα για την ευαισθητοποίηση νέων χρωστικών-ετεροληπτικών συμπλόκων ρουθηνίου με τριδοντικούς αζωαρωματικούς υποκαταστάτες. Οι ιδιαίτερα χαμηλές αποδόσεις που ελήφθησαν (η μεγαλύτερη της τάξεως του 1,74%), συγκρινόμενες με την κλασσική χρωστική Gratzel (N3), αποδόθηκαν στις φτωχές οπτικές ιδιότητες των ευαισθητοποιητών καθώς και στις μη ευνοϊκές συνθήκες πραγματοποιήσης των βασικών ηλεκτρονιακών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα μετά την απορρόφηση του φωτός (κυρίως έγχυση και αναγέννηση με την πρόσληψη ενός ηλεκτρονίου). Τέλος, ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη μελέτη και το χαρακτηρισμό των δονητικών ιδιοτήτων των συστατικών μιας κυψελίδας μέσω της φασματοσκοπίας micro-Raman. Αρχικά έγινε χρήση των συνθηκών Συντονισμού για να ληφθούν υψηλής u949 εντάσεως φάσματα Raman σε σύμπλοκα ρουθηνίου προσροφημένα σε υμένια TiO2 με σκοπό να συμπληρωθεί ο φασματοσκοπικός χαρακτηρισμός των καινούργιων μοριακών χρωστικών. Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε η φωτοηλεκτροχημική φασματοσκοπία Raman Συντονισμού για να μελετηθεί η αλληλεπίδραση του οξειδοαναγωγικού ζεύγους του ηλεκτρολύτη με τη χρωστική κατά τη διαδικασία της αναγέννησής της. Η διεργασία αυτή πραγματοποιείται πιθανότατα μέσω της δημιουργίας ενός ενδιαμέσου συμπλόκου της χρωστικής με το τριιώδιο. Αυτό το ενδιάμεσο δε φαίνεται να αποτελεί ένα παραπροϊόν που μειώνει το χρόνο ζωής της ευαιθητοποιημένης φωτοηλεκτροχημικής κυψελίδας.