Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/9972
Title: Nanostructured dye-sensitized solar cells
Other Titles: NANOSTRUCTURED DYE-SENSITIZED SOLAR CELLS
Authors: Palma, Giuseppina
Supervisore/Tutore: Fraleoni Morgera, Alessandro
Issue Date: 25-Mar-2014
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: Dye-sensitized solar cells (DSSCs) represent a promising alternative to silicon-based technology. From the first publications about DSSCs in the 90s, they are considered an important breakthrough for achieving high efficiency by using relatively inexpensive and abundant materials. Stability and efficiency are two crucial points in the development of this new class of hybrid photovoltaic devices. Most of the DSSC studies carried out over the past twenty years are based on the optimization of these two aspects. In particular, no particular efficiency improvement was obtained in the last period, although many efforts have been made for the research of appropriate solutions able to allow to fabricate more efficient devices. In this scenario, the topic of interest for this thesis is to further enhance the photovoltaic performance of DSSCs by integrating a nano-engineered TiOx photoanode obtained by means of a new nanostructuring method. This novel method, called ASB-SANS (Auxiliary Solvent-Based Sublimation-Aided NanoStructuring) allows the fast nanostructuring of a material in conditions of room temperature and atmospheric pressure. The nanostructuring process occurs by means of an auxiliary sublimating substance that, after having influenced the spatial arrangement of the material to be nanostructured, sublimates away from the system spontaneously. So-obtained TiOx photoanodes are characterized by an inner surface area which is higher than that of commonly used photoanodes. This implies that higher dye loading values are possible, in turn meaning an increase of photogenerated charge carriers upon sunlight absorption, hence an overall increase of the DSSC efficiency. This thesis is structured as following: - Chapter 1 is a general introduction to the photovoltaics and dye-sensitized solar cells, such as the operating principles and the characteristics of the dye cell; - Chapter 2 presents the motivation and objectives of PhD work, with particular interest in the state of art on the semiconductor layer optimization; - Chapter 3 contains a description of the two instrumental systems assembled by the author and colleagues for the characterization of photovoltaic devices (current/voltage recording system and IPCE system). A particular focus is put on the development of a tool for the determination of the photovoltaic quantum efficiency obtained by the conversion of a common UV-Vis spectrometer; - Chapter 4 is focused on the description of two methods for the determination of the active sites (dye grafting points) of the TiOx surface: the first based on the acetic acid adsorption and the second on the dye molecules adsorption. These methods are used for the characterization of all fabricated photoanodes; - Chapter 5 starts with the proven effectiveness of the ASB-SANS method applied to nanostructuring, over relatively large areas, a semiconducting polymer widely used in organic solar cells. The chapter is then focused on the description of the ASB-SANS method applied to fabricate our nano-engineered photoanodes; - Chapter 6 presents the results obtained by the application of the nano-engineered photoanodes in photovoltaic devices; - Chapter 7 reports some final conclusions together with our outlooks in the future research and development of the nano-engineered photoanodes for dye-sensitized solar cells.
Le celle solari a colorante organico (DSSC) proposte da Grätzel rappresentano una promettente alternativa alle tecnologie basate sul silicio già in commercio. Dalle prime pubblicazioni negli anni 90 esse hanno reppresentato un importante passo avanti per raggiungere un’efficienza relativamente alta utilizzando materiali poco costosi e abbondanti in natura. Gli aspetti più importanti per lo sviluppo di questa tecnologia sono la stabilità e l’efficienza, su cui si fonda la maggior parte degli studi sulle DSSC condotti negli ultimi vent’anni. In particolare, nonostante gli sforzi enormi nella ricerca di soluzioni appropriate che consentissero di fabbricare dispositivi più efficienti, nessun particolare incremento di efficienze è stato registrato. In questo scenario, il presente lavoro di tesi ha come scopo il miglioramento della performance fotovoltaica di DSSC attraverso l’integrazione al loro interno di un fotoanodo di TiOx nanostrutturato utilizzando un nuovo metodo di fabbricazione. Questo metodo, denominato ASB-SANS (Auxiliary Solvent- Based Sublimation-Aided NanoStructuring) permette la nanostrutturazione di un materiale senza dispendio di tempo ed in condizioni di temperatura ambiente e pressione atmosferica. La nanostrutturazione di un materiale avviene per mezzo di un sublimante ausiliario che, dopo aver influenzato la disposizione spaziale del materiale, si allontana dal sistema spontaneamente per semplice sublimazione. I fotoanodi di TiOx così ottenuti presentano una superficie esposta all’attacco del colorante maggiore di quella esposta generalmente dai fotoanodi comunemente impiegati. Ciò comporta un aumento della quantità di colorante che il fotoanodo può adsorbire che si traduce in un aumento della quantità di portatori di carica che si possono generare per effetto dell’assorbimento della luce solare. Il miglioramento della corrente generata nel dispositivo influenzerà positivamente l’efficienza globale della cella DSSC. Il presente lavoro di tesi è strutturato nel seguente modo: - il Capitolo 1 costituisce l’introduzione alla tematica di interesse con un approfondimento descrittivo dei componenti di una DSSC e del suo funzionamento; - il Capitolo 2 espone la motivazione e gli obbiettivi del lavoro di dottorato con particolare interesse verso lo stato dell’arte inerente alla motivazione espressa; - il Capitolo 3 contiene la descrizione accurata dei sistemi di caratterizzazione di dispositivi fotovoltaici. Di particolare rilievo è la messa a punto di uno strumento per la determinazione dell’efficienza quantica. Quest’ultimo è stato ottenuto assemblando un comune spettrometro UV-Vis con un multimetro per la registrazione delle correnti generate dalla cella; - il Capitolo 4 improntato sulla descrizione di due metodi per la determinazione dei siti attivi (punti di attacco del colorante) presenti sulla superficie del TiOx: il primo basato sull’adsorbimento dell’acido acetico e il secondo sull’adsorbimento delle molecole di colorante. Tali metodi serviranno per la caratterizzazione dei fotoanodi nanostrutturati; - il Capitolo 5 si apre con la provata efficacia del metodo di nanostrutturazione ASB-SANS applicato su polimeri di interesse fotovoltaico. Il fulcro del capitolo è tutto rivolto alla descrizione del metodo applicato al sistema di nanoparticelle di TiOx, con tute le soluzioni tecniche adottate per renderlo altrettanto efficace su questo genere di sistemi; - il Capitolo 6 riporta i risultati ottenuti per l’applicazione dei fotoanodi del capitolo 5 all’interno dei dispositivi fotovoltaici; - il capitolo 7 conclude il lavoro e riporta le eventuali prospettive per il futuro.
Ciclo di dottorato: XXVI Ciclo
metadata.dc.subject.classification: SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN NANOTECNOLOGIE
Description: 2012/2013
Keywords: Dye Sensitized Solar Cells
Nanostructuring
Titanium Dioxide
Efficiency
ASB-SANS
Language: en
Type: Doctoral Thesis
Settore scientifico-disciplinare: FIS/03 FISICA DELLA MATERIA
NBN: urn:nbn:it:units-12256
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