Design, fabrication and characterization of plasmon-enhanced dye-sensitized solar cells (Master thesis)

Μυταφίδης, Χρήστος Κ.


Full metadata record
DC FieldValueLanguage
dc.contributor.authorΜυταφίδης, Χρήστος Κ.el
dc.date.accessioned2019-09-09T10:56:29Z-
dc.date.available2019-09-09T10:56:29Z-
dc.identifier.urihttp://olympias.lib.uoi.gr/jspui/handle/123456789/29508-
dc.rightsDefault License-
dc.subjectΦωτοευαισθητοποιημένα ηλιακά κύτταραel
dc.subjectΠλασμονικά νανοσωματίδιαel
dc.subjectΦωτοβολταϊκάel
dc.subjectΥλικά συγκομιδής ενέργειαςel
dc.subjectDye-sensitized solar cellsen
dc.subjectPlasmonic nanoparticlesen
dc.subjectPhotovoltaicsen
dc.subjectEnergy harvesting materialsen
dc.titleΣχεδιασμός, ανάτττυξη και χαρακτηρισμός φωτοευαισθητοποιημένων ηλιακών κυττάρων και ενίσχυση λειτουργίας με εισαγωγή πλασμονικών νανοσωματιδίωνel
dc.titleDesign, fabrication and characterization of plasmon-enhanced dye-sensitized solar cellsen
heal.typemasterThesis-
heal.type.enMaster thesisen
heal.type.elΜεταπτυχιακή εργασίαel
heal.classificationΦωτοβολταϊκά δυναμικά συστήματαel
heal.dateAvailable2019-09-09T10:57:29Z-
heal.languageel-
heal.accessfree-
heal.recordProviderΠανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Πολυτεχνική Σχολή. Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικώνel
heal.publicationDate2019-
heal.bibliographicCitationΒιβλιογραφία: σ. 164-181el
heal.abstractΈχοντας ως κίνητρο τις συνεχώς αυξανόμενες παγκόσμιες ενεργειακές απαιτήσεις της σύγχρονης εποχής και συνάμα την εξάλειψη των συμβατικών ορυκτών καυσίμων, η αναζήτηση εναλλακτικών πηγών ενέργειας αναδεικνύεται ζωτικής σημασίας στα πλαίσια της βιωσιμότητας. Ιδιαίτερα στον τομέα της ηλιακής ενέργειας, μολονότι ως ανανεώσιμη πηγή δύναται να προσφέρει ενεργειακή επάρκεια, τα αντίστοιχα ηλιακά συστήματα παραγωγής είναι καθοριστικής σημασίας να έχουν ανταγωνιστικό κόστος και απόδοση συγκριτικά με τους συμβατικούς ενεργειακούς πόρους. Τα φωτοευαισθητοποιημένα ηλιακά κύτταρα (DSSCs) αποτελούν μια από τις πλέον σημαντικές ανακαλύψεις στο συγκεκριμένο τομέα (O'Regan & Grätzel, 1991), τα οποία συγκεντρώνουν όλο και περισσότερη προσοχή σε επίπεδο έρευνας επί της παρούσης, καθώς ικανοποιούν τις πολύ ελκυστικές ιδιότητες του χαμηλού κόστους και της απλής διεργασίας κατασκευής, ενώ ταυτόχρονα διαθέτουν πλεονεκτικά χαρακτηριστικά έναντι των συμβατικών ηλιακών κυττάρων (π.χ. ελαφριά, εύκαμπτα, χαμηλής τοξικότητας και ικανοποιητικές επιδόσεις σε ποικίλες συνθήκες φωτός (M. Grätzel, 2006)). Ένα DSSC, αποτελείται τυπικά από ένα ημιαγώγιμο υμένιο πάχους αρκετών μικρών (π.χ. TiO2, ZnO, SnO2) εναποτιθέμενο σε αγώγιμο υπόστρωμα που χρησιμεύει ως φωτοάνοδος η οποία ευαισθητοποιείται με μια απορροφητική χρωστική (π.χ. μεταλλικά σύμπλοκα ή οργανικές χρωστικές), έναν ηλεκτρολύτη (π.χ. οξειδοαναγωγικό ζεύγος 𝐼𝐼3−/𝐼𝐼−) μεταξύ του ευαισθητοποιητή και του αντίθετου ηλεκτροδίου, και το αντιηλεκτρόδιο (π.χ. πλατίνα, άνθρακας) εναποτιθέμενο σε άλλο αγώγιμο υπόστρωμα. Η πρόσπτωση ηλιακής ακτινοβολίας επί της φωτοανόδου προκαλεί την φωτοδιέγερση ηλεκτρονίων του ευαισθητοποιητή μέσω της απορρόφησης φωτονίων από τα μόρια της χρωστικής, τα οποία στη συνέχεια εγχέονται στη ζώνη αγωγιμότητας του ημιαγωγού και έπειτα μεταφέρονται στο εξωτερικό κύκλωμα δημιουργώντας ηλεκτρικό ρεύμα. Η αρχική κατάσταση της χρωστικής ακολούθως αποκαθίσταται με μετάβαση ηλεκτρονίων από το αντιηλεκτρόδιο μέσω του οξειδοαναγωγικού ηλεκτρολύτη. Κάθε τμήμα της διάταξης καθορίζει σε μεγάλο βαθμό το κόστος και την αποτελεσματικότητα των DSSCs. Τα τελευταία χρόνια έχουν δημοσιευθεί πολλαπλές μελέτες σχετικά με την τροποποίηση κάθε συστατικού με απώτερο σκοπό επερχόμενες βελτιωμένες πρακτικές εφαρμογές αντίστοιχων διατάξεων. Οι περιοχές ενδιαφέροντος περιλαμβάνουν την ανάπτυξη νανοδομημένων ημιαγώγιμων φωτοανόδων με αποτελεσματικές αρχιτεκτονικές για ισχυρή αγκίστρωση αποδοτικού πλήθους μορίων χρωστικής και ταχεία μεταφορά ηλεκτρονίων, την εκμετάλλευση ευαισθητοποιητών με έντονη απορρόφηση ηλιακής ακτινοβολίας, τη χρήση ηλεκτρολυτών οξειδοαναγωγής με αποτελεσματική μεταφορά οπών, τη βελτιστοποίηση του αντίθετου ηλεκτροδίου (ηλεκτροκαταλύτη) πλατίνας καθώς και την ανάπτυξη άλλων ισοδύναμων εναλλακτικών λύσεων (πχ άνθρακα) με χαμηλότερο κόστος (Tetreault & Grätzel, 2012; M. Wu & Ma, 2012; S. Zhang et al., 2013). Ιδιαίτερο ενδιαφέρον στο συγκεκριμένο πεδίο έρευνας παρουσιάζουν τα περοβσκιτικά ηλιακά κύτταρα, απόρροια διεύρυνσης των συστατικών των φωτοευαισθητοποιημένων ηλιακών κυττάρων σε στερεά κατάσταση, επιτυγχάνοντας εντυπωσιακές αποδόσεις άνω του 20% (N.-G. Park, 2013; Shin et al., 2017). Σε αυτή την εργασία παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα σχεδιασμού και ανάπτυξης φωτοευαισθητοποιημένων ηλιακών κυττάρων στα οποία αναπτύχθηκαν μεσοπορώδη υμένια νανοκρυσταλλικής τιτανίας (TiO2) ως ημιαγώγιμη φωτοάνοδος με τη μέθοδο spin-coating και ευαισθητοποιήθηκαν με οργανικές και φυσικές χρωστικές. Χρησιμοποιήθηκε το οξειδοαναγωγικό ζεύγος ηλεκτρολύτη ιωδιδίου (𝐼𝐼3−/𝐼𝐼−) και διερευνήθηκε η συμβολή και η αποτελεσματικότητα των αντιηλεκτροδίων: (i) πλατίνας, (ii) πλατίνας & άνθρακα, (iii) άνθρακα. Συμπληρωματικά, διερευνήθηκε πειραματικά η ενίσχυση του φωτορεύματος μέσω ανάκλασης του φωτός έπειτα από τοποθέτηση επιφάνειας υψηλής ανακλαστικότητας κάτωθεν των κυττάρων. Επιπλέον μελετήθηκε υπολογιστικά και βιβλιογραφικά η συμβολή πλασμονικών νανοσωματιδίων στη φωτοβολταϊκή απόδοση των DSSCs συναρτήσει των πειραματικών αποτελεσμάτων. Αξιοσημείωτο αποτέλεσμα της παρούσας εργασίας επήλθε έπειτα από τη χρήση του μορίου της φυσικής χρωστικής Blueberries ως ευαισθητοποιητή και συνδυαστικό αντιηλεκτρόδιο πλατίνας/άνθρακα, το οποίο DSSC επέδειξε αποδόσεις 3.09% και 3.77% έπειτα από την τοποθέτηση ανακλαστικής επιφάνειας και πλασμονικών νανοσωματιδίων χρυσού (AuNPs) αντίστοιχα. Συμπληρωματικά των αποτελεσμάτων της παρούσας εργασίας, γίνονται επισημάνσεις για αξιόλογες πτυχές μελλοντικών ερευνών στον αντίστοιχο τομέα ηλιακών κυττάρων.el
heal.abstractMotivated by the ever-increasing world energy demands of our times and the depletion of readily accessible fossil fuels, the investigation for alternative energy sources has become vitally important in terms of sustainability. Particularly the renewable solar energy, although its great potential as a renewable source, it is crucial for the respective solar production systems to have a competitive cost and performance compared to conventional energy sources. Dye-sensitized solar cells (DSSCs) have entered public view as significant breakthroughs in this field (O'Regan & Grätzel, 1991) and garnered more and more research attention at present, as they meet the very attractive properties of low cost and simple manufacturing processes, while at the same time having advantageous characteristics over conventional solar cells (e.g., lightweight, flexible, low toxic, and good performance in diverse light conditions (M. Grätzel, 2006)). A DSSC typically consists of a several microns thick semiconductor film (e.g., TiO2, ZnO, SnO2) served as a photoanode that is coated or grown on a conductive substrate, a sensitizer (e.g., metal-complex or organic dyes) an electrolyte (e.g., 𝐼𝐼3−/𝐼𝐼− redox couple) between the sensitizer and the counter electrode, and the counter electrode (e.g., platinum, carbon) deposited on another conductive substrate. The incident solar radiation on the photoanode causes photo-excitation of the absorbed dye molecules to generate excited electrons which are subsequently injected into the conduction band of the semiconductor and shuttled to the external circuit through the conductive substrate, producing an electric current. The initial state of the dye is subsequently restored by electron donation from the redox electrolyte. Each part of the device strongly determines the cost and efficiency of DSSCs. In recent years, multiple studies have been published on the modification of each component with the ultimate goal of improved applied and practical applications. Areas of interest have included the development of nanostructured semiconductor photoanodes with effective architectures for high dye loading and fast electron transport, the exploitation of versatile sensitizers with strong visible light harvesting ability, the utilization of redox electrolytes for efficient hole transport, the optimization of the platinum counter electrode as well as the development of other equivalent alternatives at lower costs (Tetreault & (W. & Ma, 2012; S. Zhang et al., 2013). A new milestone for solid-state mesoscopic TiO2 solar cells sensitized with lead iodide perovskite was reported to achieve an impressive power conversion efficiency of more than 20% (N.G. Park, 2013; Shin et al., 2017). In this thesis, the experimental results of the design and development of dye-sensitized solar cells are presented, in which, mesoporous films of nanocrystalline titania (TiO2) were spin-coated as a semiconductor photoanode and subsequently sensitized with organic and natural dyes. The redox couple of iodide electrolyte was used (𝐼𝐼3−/𝐼𝐼−) where the contribution and functionality of the following counter electrodes were investigated: (i) platinum, (ii) platinum & carbon, (iii) carbon. Additionally, the amplification of the photocurrent by light reflection after placing a high reflectance surface under the cells was experimentally investigated. Moreover, the contribution of plasmonic nanoparticles to the photovoltaic performance of DSSCs was studied computationally and bibliographically as a function of the experimental results. A remarkable result of this thesis was achieved as a product of the sensitization with the natural dye of Blueberries and a combinatorial platinum/carbon counter electrode, which DSSC achieved efficiencies of 3.09% and 3.77% after the measurements with the highly reflective surface and the introduction of the gold nanoparticles (AuNPs), respectively. In addition to the results of this work, there are highlighted some noteworthy aspects for future research into the corresponding solar cell sector.en
heal.advisorNameΛοιδωρίκης, Ελευθέριοςel
heal.committeeMemberNameΛοιδωρίκης, Ελευθέριοςel
heal.committeeMemberNameΠαναγιωτόπουλος, Ιωάννηςel
heal.committeeMemberNameΠαπαγεωργίου, Δημήτριοςel
heal.academicPublisherΠανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Πολυτεχνική Σχολή. Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικώνel
heal.academicPublisherIDuoi-
heal.numberOfPages181 σ.-
heal.fullTextAvailabilitytrue-
Appears in Collections:Διατριβές Μεταπτυχιακής Έρευνας (Masters)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Μ.Ε. ΜΥΤΑΦΙΔΗΣ ΧΡΗΣΤΟΣ Κ. 2019.pdf22.44 MBAdobe PDFView/Open



 Please use this identifier to cite or link to this item:
http://olympias.lib.uoi.gr/jspui/handle/123456789/29508
  This item is a favorite for 0 people.

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.