Оптимизација материјала за повећање ефикасности соларне ћелије сензибилизоване хиперицином и њена физичкохемијска карактеризација

Abstract

Соларне ћелије сензибилизоване природним бојама су еколошки чисто, брзо и економски незахтевно решење глобалног проблема дефицита енергије. У дисертацији је разматран утицај различитих компоненти које улазе у састав соларних ћелија сензибилизованих природним пигментом хиперицином на ефикасност ових ћелија. Хиперицин се, као фотосензибилизатор користи у медицини за фотодинамичку терапију, али је врло мало испитиван за примену у соларним ћелијама. Испитиване су карактеристике ћелија које имају различиту активну електроду и/или различит састав електролита. Снимљене су струјно-напонске карактеристике свих ћелија како би се добили основни параметри ћелија као што су: густина струје кратког споја, напон отвореног кола и ефикасност конверзије соларне енергије у електричну. Најбоље струјно-напонске карактеристике је показала ћелија са комерцијалном титанијум-диоксидном електродом, која је постигла ефикасност од 1,51 %. Покушана је оптимизација ћелија додавањем адитива (терц-бутил-пиридин, TBP, 1-метил-3-пропилимидазолијум јодид, PMII) и коадсорбера (хенодезоксиколна киселина, CDCA), међутим, ни један од поменутих адитива није повољно утицао на ефикасност ћелија. Како би се боље разумео механизам преноса наелектрисања кроз ћелију примењена је и метода импедансне спектроскопије. Овом методом је утврђено да је време задржавања електрона у титанијум-диоксиду 12,0 ms и одређене су вредности отпора у овом електрохемијском систему. Уз поменуте, коришћене су и методе карактеризације као што су микроскопија атомских сила, скенирајућа електронска микроскопија и рендгеноструктурна анализа, како би се боље дефинисале карактеристике материјала који улазе у састав ћелија. Разматран је и утицај плазмонских ефеката на структуре које одговарају соларним ћелијама са сензибилизаторима. Утврђено је да соларна ћелија која садржи никл као плазмонски материјал може да доведе до интензивније апсорпције као и до проширења апсорпционог опсега, што за резултат може имати повећање ефикасности DSSC. Урађени су и теоријски прорачуни помоћу теорије функционала густине како би се разматрао распоред електронске густине у молекулу сензибилизатора, такође у сврху бољег разумевања механизма преноса наелектрисања. Из ових прорачуна је утврђено да се у побуђеном стању електрони налазе у центру молекула хиперицина, а не на месту везивања за титанијум-диоксид. Тиме је закључено да је пренос електрона са боје на полупроводник слаб, што доводи и до мање ефикасности у конверзији енергије.

Dye sensitized solar cells (DSSC) are proposed as an ecologically clean, fast, and inexpensive solution for global energy deficiency. In this dissertation, the influences of assorted components integrated into DSSC with natural pigment hypericin were investigated. Hypericin, as a photosensitizer is well known in medicine for its application in photodynamic therapy, but has not yet been inspected enough for utilization in DSSC. The performance characteristics of DSSCs with different electrodes or different electrolyte solutions were examined. Basic current-voltage diagrams were analyzed to obtain parameters like short-circuit current density, open-circuit voltage, and photon-to-current efficiency. The best current-voltage diagrams were obtained with the cell that had a commercial TiO2 photoanode and reached the efficiency of 1.51 %. Several additives (tert-Butylpyridine, TBP and 1-methyl-3-propylimidazolium iodide, PMII) and co-adsorbers (chenodeoxycholic acid, CDCA) were used for electrolyte optimization. Nevertheless, none of the additives or co-adsorbers were beneficial for cells’ efficiencies. To get a deeper insight into the mechanism of electron transfer through the cell, the impedance spectroscopy method was applied. With this method, we estimated the lifetime of conduction band electrons in the TiO2 film and gained the value of 12.0 ms. Various characterization methods including atomic force microscopy, scanning electron microscopy, and X-ray diffraction were used for investigating the properties of cell component materials. The influence of plasmonic effects on DSSC-like structure was explored. Solar cells with nickel as plasmonic material were proposed. It was determined that this can lead to enhanced light absorption as well as broadening of the absorption spectrum, which can result in a higher efficiency of DSSCs. Theoretical calculations with Density Functional Theory were conducted to consider electron density in the sensitizer molecule and also to get a better understanding of charge transfer properties. These calculations showed that in the excited state, the electrons are localized in the center of the molecule of hypericin, not on the anchoring group that binds hypericin to titanium dioxide. It was concluded that the electron transfer from the dye to the semiconductor is weak, which resulted in low efficiency of hypericin-based DSSCs.