Application of biodegradable substrates and inkjet printing in dye-sensitized solar cells

Merve Özkan

Informações chave

Autores:

Merve Özkan (Merve Özkan)

Orientadores:

Jouni Paltakari; Carlos Augusto Santos Silva (Carlos Augusto Santos Silva)

Publicado em

27/10/2017

Resumo

As células solares sensibilizadas por corantes (DSSCs) são dispositivos eletroquímicos, que convertem a energia dos fotões em energia elétrica. Estas células são candidatos promissores a unidades alternativas de energia para equipamentos eletrónicos de pequena escala. Apesar dos enormes esforços dedicados à pesquisa do DSSC, a integração de dispositivos de alta eficiência nos substratos à base de celulose não foi ainda alcançada, devido aos desafios impostos pelo eletrólito líquido do dispositivo. Para além disso, o desperdício de precursores, ao mesmo tempo que produzem camadas processáveis em solução desses dispositivos, a quantidade de deposição descontrolada e a posição das camadas, bem como a dependência dos substratos de vidro pré-perfurados, não são práticas para muitas das aplicações. Os objetivos deste trabalho foram explicar as consequências da substituição do contra-eletrodo convencional (CE), geralmente produzido no substrato de vidro, com uma alternativa baseada em celulose e a introdução do método de impressão a jato de tinta na sequência de fabricação do dispositivo. Inicialmente, os CEs alternativos foram produzidos numa folha de celulose laminada, cobrindo-a com uma tinta de nanotubo de carbono de parede simples (SWCNT) e, posteriormente, tinta de poli (3,4-etilenodioxitiofeno) (PEDOT-TsO) dopada com toluenossulfonato. Os novos CE apresentaram flexibilidade e baixa resistência à transferência de carga. Além disso, as células produzidas com estas CE revelaram apenas cerca de 20% menos eficiência de conversão de energia em comparação com as células de referência contendo óxido de estanho / FTC / platina com gás fluorado. EM seguida, o trabalho focou-se na impressão a jato de tinta das camadas de corante e platina, bem como do eletrólito de DSSCs. Inicialmente, os três eletrólitos mias populares de acordo com a pesquisa DSSC foram caracterizados em termos das propriedades físico-químicas. Então, o eletrólito menos dilatante com a maior tensão superficial e ponto de ebulição foi impresso a jacto de tinta na superfície de óxido mesoporoso sensibilizado para produzir DSSCs. Graças a este método, a sequência de fabricação do dispositivo ficou obviamente mais fácil e o dispositivo contendo eletrólito impresso a jato de tinta apresentou menos perdas resistivas e boa estabilidade. A maneira convencional de sensibilizar a superfície do óxido mesoporoso é expondo-a a uma solução diluída de corante por longas horas. Além da carga ambiental de desperdiçar corantes à base de Ru, a precisão na posição e na quantidade da camada de corante não pode ser controlada. Para superar todos esses desafios acima mencionados, a impressão a jato de tinta foi proposta como um novo método para a etapa de sensibilização. Não apresentando desvantagem nem no desempenho fotovoltaico nem na estabilidade do desempenho, as células feitas de elétrodos fotográficos com corantes impressos a jato de tinta abrem a porta para dispositivos solares feitos sob medida com intensidade sintonizada de várias cores. A platina, um material escasso e caro, é o catalisador tradicional para os DSSCs. É depositado lançando uma gota nos substratos de vidro revestidos com FTO para a produção em escala de laboratório de DSSCs. Para minimizar o desperdício de platina e criar camadas de catalisador com precisão, com transparência feita sob medida, o precursor de platina foi impresso a jato de tinta. Posteriormente, as camadas impressas foram caracterizadas em termos de morfologia, transmitância e eletroquímica. O catalisador impresso a jato de tinta com a mesma quantidade de carregamento de platina que as células de referência, exibiu uma eficiência de conversão de potência similar de cerca de 7% às células de referência. Além disso, as células com platina impressa a jato de tinta foram capazes de manter as suas eficiências após um teste de envelhecimento acelerado. Dye-sensitized solar cells (DSSCs) are electrochemical devices, which convert the photon energy to electrical energy. They are promising alternative power unit candidates for small-scale electronics. Despite of enormous efforts devoted to the DSSCs research, the integration of high efficiency devices onto the cellulose based substrates have not been achieved due to the challenging liquid electrolyte in the device. Additionally, the precursor wastage while producing solution processable layers of these devices, uncontrolled deposition amount and position of the layers as well as the dependence on the pre-drilled glass substrates are not practical for many applications. The aims of this work were to explain the consequences of replacing the conventional counter electrode (CE) generally produced on the glass substrate with a cellulose based alternative and introducing the inkjet printing method into the device fabrication sequence. In this thesis, initially, the alternative CEs were produced on a laminated cellulose sheet by coating it with a single walled carbon nanotube (SWCNT) ink and subsequently p-toluenesulfonate doped poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT-TsO) ink. The new CEs exhibited flexibility and low charge transfer resistance. Additionally, the cells produced with these CEs revealed only around 20% less power conversion efficiency compared to the reference cells containing glass/ fluorine-doped tin oxide (FTO)/platinum. The rest of the thesis was devoted to the inkjet printing of the dye and platinum layers as well as the electrolyte of DSSCs. Initially, the popular three electrolytes in DSSC research were characterized in terms of their physiochemical properties. Then, the least dilatant electrolyte with the highest surface tension and boiling point was inkjet-printed on the sensitized mesoporous oxide surface to produce DSSCs. Thanks to this method, the device fabrication sequence remarkably got easier and the device containing inkjet-printed electrolyte exhibited less resistive losses and good stability. The conventional way of sensitizing the mesoporous oxide surface is exposing it to a dilute solution of dye for long hours. In addition to the environmental burden of wasting Ru based dyes, the precision in the position and amount of the dye layer cannot be controlled. In order to overcome all these aforementioned challenges, the inkjet printing was proposed as a new method for sensitization step. Exhibiting no disadvantage neither in the photovoltaic performance nor in the performance stability, the cells made of photo electrodes with inkjet printed dyes open the door for tailor-made solar devices with tuned intensity of various colors. Platinum, a scarce and expensive material, is the traditional catalyst for the DSSCs and it is deposited by casting a drop on the FTO coated glass substrates for the lab-scale production of DSSCs. To minimize the platinum wastage and create precisely patterned catalyst layers with custom-made transparency, the platinum precursor was inkjet printed. Afterwards, the printed layers were characterized in terms of morphology, transmittance and electrochemistry. The inkjet printed catalyst with the same amount of platinum loading as the reference cells, exhibited a similar power conversion efficiency of around 7% to the reference cells. Moreover, the cells with inkjet Printed platinum were able to maintain their efficiencies after an accelerated aging test.