Ανάπτυξη και λειτουργία νανοσωλήνων τιτάνιας (TiO2) σε φωτοευαισθητοποιούμενες κυψέλες και φωτοκυψέλες καυσίμου

• Κύριος συγγραφέας: Μπατίλας, Ιωάννης
• Άλλοι συγγραφείς: Λευθεριώτης, Γεώργιος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2016
• Θέματα: Νανοσωλήνες τιτάνιας (TNTs); Φωτοηλεκτροκατάλυση; Φωτοηλεκτροχημικές κυψελίδες; Φωτοστοιχεία καυσίμου; Titania nanotubes (TNTs); Photoelectrocatalysis; Photoelectrochemical cells; Photo-fuel cells; 621.312 44

Στόχος της παρούσας μεταπτυχιακής Διατριβής αποτελεί η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική με σύγχρονες διατάξεις και συγκεκριμένα με: (α) φωτοηλεκτροχημικές κυψελίδες καυσίμου (Photo-Fuel Cells), όπου πραγματοποιείται και φωτοαποΐκοδόμηση οργανικών ουσιών (ρύπων) και (β) φωτο-ευαισθητοποιούμενες κυψελίδες που χρησιμοποιούν ημιαγωγούς υπό μορφή κβαντικών τελειών (QDSSCs). Είναι γνωστό ότι τα συμβατικά ηλιακά στοιχεία, τα αποκαλούμενα και ως φωτοβολταϊκά πρώτης γενιάς, αποτελούνται από κρυσταλλικό πυρίτιο το οποίο με κατάλληλες προσμείξεις παράγει ηλεκτρισμό, αξιοποιώντας τη φωτοβόληση μιας επαφής p‐n. Στην κατεύθυνση αντικατάστασης των συμβατικών ηλιακών στοιχείων, έχει προταθεί η κατασκευή κυψελίδων με διαφορετικά -νανοδομημένα- υλικά, τα οποία μπορούν να επιστρωθούν υπό τη μορφή λεπτών υμενίων. Για το λόγο αυτό, στην παρούσα Διατριβή, δοκιμάστηκαν καινοτόμα υλικά ως προς τις δυνατότητές τους να χρησιμοποιηθούν στις ανωτέρω διατάξεις. Η δομή των συστημάτων αυτών αποτελείται σε γενικές γραμμές από: (α) το ηλεκτρόδιο ανόδου (φωτοάνοδος), το οποίο αποτελείται από έναν ημιαγωγό ευρέως χάσματος (π.χ. τιτάνια) και από τον ευαισθητοποιητή, (β) το ηλεκτρόδιο καθόδου (αντιηλεκτρόδιο), το οποίο εμπλέκει κατά κανόνα κάποιο ευγενές μέταλλο με μεγάλο έργο εξόδου και (γ) τον ηλεκτρολύτη που εμπεριέχει το κατάλληλο οξειδοαναγωγικό ζεύγος. Καθώς το ηλιακό φως προσπίπτει στην κυψελίδα, φωτόνια απορροφούνται από τα ημιαγώγιμα στρώματα (π.χ. την τιτάνια, την χρωστική ή τις κβαντικές τελείες ανάλογα με τη δομή της κυψελίδας). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την απορρόφηση των φωτονίων από τα ηλεκτρόνια, τη διέγερση των ηλεκτρονίων αυτών στη ζώνη αγωγιμότητας, την δημιουργία οπών στη ζώνη σθένους και εν τέλει τη δημιουργία προϋποθέσεων κυκλοφορίας των φορέων ανάμεσα στα υλικά, με στόχο την συλλογή τους εξωτερικά και την αξιοποίηση του παραγόμενου (φωτο)ρεύματος. Ο σκοπός της Διατριβής ήταν η κατασκευή φωτοηλεκτροχημικών κυψελίδων και η σύνθεση καινοτόμων υλικών, προκειμένου να αξιοποιηθούν στην βελτιστοποίηση της απόδοσής τους. Στις φωτοκυψελίδες έγινε ανάπτυξη και εφαρμογή νανοσωλήνων τιτάνιας (TNTs) ως φωτοκαταλύτη στο ηλεκτρόδιο ανόδου, καθώς και συνδυασμός ανόργανων νανοκρυστάλλων (CdS, CdSe, ZnS) για την ευαισθητοποίηση του ημιαγωγού στο ορατό φάσμα της ακτινοβολίας. Στις ευαισθητοποιούμενες κυψελίδες μέσω κβαντικών τελειών (QDSSCs) χρησιμοποιήθηκε ως ηλεκτρολύτης, πολυθειούχες ενώσεις (Polysulfide electrolyte) και ως ηλεκτροκαταλύτης στην κάθοδο, υποθειούχος χαλκός (Cu2S). Αντίθετα, στις φωτοκυψελίδες καυσίμου (Photo-Fuel Cells) έγινε χρήση (α) NaOH 0.5Μ+5% EtOH, ως ηλεκτρολύτης και (β) λευκόχρυσος εναποτιθέμενος υπό μορφή νανοσωματιδίων σε αγώγιμο υπόστρωμα (Carbon Cloth), ως ηλεκτροκαταλύτης στο ηλεκτρόδιο καθόδου. Η πειραματική διαδικασία αποτελείται από τρία βασικά στάδια: (α) την προετοιμασία των πειραματικών δειγμάτων, (β) την μέτρηση των τιμών ρεύματος (Ι) και τάσης (V) μέσω ποτενσιοστάτη και την καταγραφή του σε μονάδα Η/Υ και (γ) ο πρσδιορισμός των χαρακτηριστικών μεγεθών (JSC, VOC, PDmax, Fill Factor και απόδοση n). Για την εύρεση του φωτοηλεκτροχημικού στοιχείου με την υψηλότερη απόδοση, ελέγχθηκαν οι εξής παράγοντες επιρροής των ανωτέρω μεγεθών: (α) το είδος του φωτοκαταλύτη, (β) η ενεργός επιφάνεια του φωτοκαταλύτη και (γ) η ποιότητα του εναποτιθέμενου φωτοευαισθητοποιητή. Τα αποτελέσματα των πειραματικών μετρήσεων υποδεικνύουν ότι η βέλτιστη απόδοση των εξεταζόμενων συστημάτων, επιτυγχάνεται με ευαισθητοποίηση των νανοσωλήνων τιτάνιας (TNTs) από: (α) Sol-gel/CdS, στις φωτοκυψελίδες καυσίμου (Photo-Fuel Cells) και (β) Sol-gel/CdS/CdSe/ZnS, στις κυψελίδες QDSSCs. Επίσης η αύξηση της ενεργού επιφάνειας επιφέρει μείωση της απόδοσης, δηλαδή υπεισέρχονται απώλειες της τάξης του 35% έως 50%, περίπου, στην λειτουργία του συστήματος. Τέλος, παρατηρήθηκε ότι η αύξηση (κατά 3 φορές) του χρόνου εναπόθεσης του CdSe, στις κυψελίδες QDSSCs, επιφέρει αύξηση της απόδοσης κατά 40%, περίπου.