Μελέτη φωτονικών ιδιοτήτων οργανικών ευαισθητοποιητών με δυνατότητα εφαρμογής σε φωτοβολταϊκά κελιά

• Κύριος συγγραφέας: Δωρή, Μαρία Άννα
• Άλλοι συγγραφείς: Φακής, Μιχάλης
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2019
• Θέματα: Οργανικοί ευαισθητοποιητές; Φωτοβολταϊκά κελιά; Organic sensitizers; Photovoltaic cells; 621.312 44

Η παρούσα διδακτορική διατριβή βασίστηκε στη διεξαγωγή πειραμάτων σχετικών με τις οπτικές ιδιότητες νέων οργανικών φωτοευαισθητοποιητών ικανών για εφαρμογή σε νανοδομημένα φωτοβολταϊκά κελιά. Οι οργανικοί αυτοί φωτοευαισθητοποιητές παρασκευάστηκαν από την ομάδα του Καθηγητή J.T. Lin από το Institute of Chemistry, Academia Sinica, Taipei, Taiwan. Πραγματοποιήθηκε σειρά πειραμάτων με τεχνικές φασματοσκοπίας σταθερής κατάστασης αλλά και χρονικής ανάλυσης στην περιοχή των fs, αλλά και σε αυτή των ps-ns. Πραγματοποιήθηκε μελέτη σε διπολικές οργανικές δομές που αποτελούνται από ένα δότη (τρι-φαινυλαμίνη) και έναν αποδέκτη ηλεκτρονίων (καρβοξύλιο) οι οποίοι ενώνονται με μια π-συζυγιακή γέφυρα που είναι η ομάδα φλουορενίου. Συγκεκριμένα πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε τέσσερις διαλύτες: το τολουόλιο, το τετραυδροφουράνιο, την ακετόνη και το ακετονιτρίλιο. Οι τέσσερις αυτοί διαλύτες είναι απρωτικοί και μελετήθηκε η επίδραση της πολικότητας τους στις οπτικές ιδιότητες της χρωστικής. Παρατηρήθηκε η ανάπτυξη, κατά τη διέγερση των οργανικών μορίων, μιας κατάστασης που προκύπτει από ενδομοριακή μεταφορά φορτίου. Προς αυτή τη διπολική κατάσταση οδηγείται το διεγερμένο μόριο καθώς είναι σταθερή σε πολικούς διαλύτες και παρουσιάζει διαφορετικές οπτικές ιδιότητες από την αρχικώς διεγερμένη κατάσταση η οποία κυρίως ανιχνεύεται σε απολικούς διαλύτες. Μια επιπλέον εξαιρετικά ενδιαφέρουσα δράση που πραγματοποιήθηκε είναι η μελέτη των οργανικών φωτοευαισθητοποιητών σε διάλυμα αλλά σε μορφή ιόντων. Τα μοριακά ιόντα είναι στην πράξη υπεύθυνα για τη λειτουργία των φωτοβολταϊκών κελιών καθώς μετά την απορρόφηση φωτονίων από τα μόρια, αυτά μεταφέρουν ηλεκτρόνια προς τη ζώνη του ημιαγωγού και παραμένουν σε μορφή κατιόντος μέχρι να αναγεννηθούν από τον ηλεκτρολύτη. Επίσης, κατά την προσρόφηση των μορίων χρωστικής στα υποστρώματα TiO2 το άτομο του υδρογόνου αποσπάται από το -COOH και έτσι τα μόρια χρωστικής παραμένουν σε κατάσταση ανιόντων. Καθώς όμως η μελέτη των ιόντων κατά τη λειτουργία των κελιών είναι εξαιρετικά δύσκολη λόγω του ότι απαιτεί ένα πλήρως λειτουργικό κελί σε κατάσταση ακτινοβόλησης και συνδεδεμένο με εξωτερικό κύκλωμα να τοποθετηθεί και να μετρηθεί φασματοσκοπικά, έγινε παραγωγή ιόντων των οργανικών ευαισθητοποιητών σε διάλυμα μέσω της προσθήκης μιας ισχυρής βάσης με την κωδική ονομασία DBU. Με αυτό τον τρόπο πραγματοποιήθηκε μελέτη των σταθερών ιόντων σε διάλυμα τόσο με φασματοσκοπία σταθερής κατάστασης όσο και χρονικής ανάλυσης. Σε σταθερή κατάσταση τα φάσματα των ιόντων που παράχθηκαν σε διάλυμα έδειξαν απόλυτη σύμπτωση με τα φάσματα που πάρθηκαν από τις χρωστικές σε κελιά κάτι που δείχνει την επιτυχία του εγχειρήματος παραγωγής ιόντων σε διάλυμα. Επίσης, η μελέτη των ιόντων σε απρωτικούς απολικούς διαλύτες έδειξε πιο γρήγορη αποδιέγερση σε σχέση με τα ουδέτερα μόρια. Επίσης, επιχειρήθηκε μια συνεισφορά στην κατανόηση της δυναμικής έγχυσης ηλεκτρονίων σε νανοκρυσταλλικά φιλμ TiO2 ευαισθητοποιημένων με χρωστική φλουορενίου και ολοκληρωμένα ηλιακά κελιά ευαισθητοποιημένα με χρωστική και έναν ημιστερεό ηλεκτρολύτη. Επίσης, μελετήθηκε και η ηλεκτρονιακή έγχυση σε φιλμ TiO2 ευαισθητοποιημένου με έξι διαφορετικούς ευαισθητοποιητές φλουορενίου, χρησιμοποιώντας και στις δύο περιπτώσεις την φασματοσκοπία φθορισμού χρονικής ανάλυσης fs σε διαφορετικά μήκη κύματος και χρονικές κλίμακες της τάξης των fs και ps. Για τη μελέτη αυτή χρησιμοποιήθηκαν ως αναφορά νανοκρυσταλλικά φιλμ Al2O3. Η απόδοση ηλεκτρονιακής έγχυσης σχετίζεται με τη δομή, το μήκος σύζευξης και το δυναμικό διεγερμένης στάθμης των ευαισθητοποιητών. Η δυναμική της έγχυσης ηλεκτρονίων μελετήθηκε σε έναν από τους ευαισθητοποιητές χρησιμοποιώντας διαφορετικές ποσότητες κενοδεοξυχολικού οξέος ως συμπροσροφητή. Ο συγκεκριμένος συμπροσροφητής χρησιμοποιείται με σκοπό την ελάττωση των συσσωματωμάτων. Με σκοπό να σχετιστεί η απόδοση της ηλεκτρονιακής έγχυσης με την ίδια την απόδοση της συσκευής, κατασκευάστηκαν ηλιακά κελιά με ημιστερεό ηλεκτρολύτη. Χρησιμοποιήθηκε και εδώ ως ευαισθητοποιητής μια διπολική οργανική χρωστική φλουορενίου περιέχοντας τριφαινυλαμίνη και 2-κυανοακρυλικό οξύ σαν δότη και αποδέκτη αντίστοιχα. Επιπλέον, μελετήθηκε η δυναμική φθορισμού του οργανικού ευαισθητοποιητή σε ευαισθητοποιημένα υμένια με αλλά και χωρίς ηλεκτρολύτη, προσδιορίζοντας τους χρόνους ζωής της διεγερμένης στάθμης. Οι δυναμικές ηλεκτρονιακής έγχυσης στα σχεδόν στερεής κατάστασης ηλιακά κελιά TiO2 παρουσίασαν επιβράδυνση σε σύγκριση με τα υμένια, ανάλογα με το ανιχνευόμενο κάθε φορά μήκος κύματος κάτι που οδήγησε και σε μείωση της απόδοσης έκχυσης. Από τη σύνδεση της απόδοσης με τις μετρήσεις έκχυσης, φάνηκε μια πολύ καλή σχέση της φωτοβολταϊκής απόδοσης με την ηλεκτρονιακή έκχυση. Αυτό καθιστά την ηλεκτρονιακή έκχυση τον πιο σημαντικό μηχανισμό για τη λειτουργία αυτών των κελιών.