| dc.description.abstract | En fargestoffbasert solcelle utnytter et fargestoff med et passende båndgap til å eksitere elektroner inn i en halvleder med et høyt båndgap. Transporten av de positive ladningene foregår gjennom en elektrolytt. Denne måten å separere ladningene på fjerner behovet for dyre materialer og prosesser forbundet med solceller som er basert på overganger i faste stoffer som for eksempel i silisium. Dermed blir produksjonsprosessen også billigere.
I denne studien har vi sett på fargestoffbaserte solceller som inneholder et fargestoff bestående av phenothiazine, en π-bro som inneholder mellom null og fire thiophene-ringer, og en syregruppe som fungerer som forankringspunkt mellom halvlederen og fargestoffet. Den eneste forskjellen mellom fargestoffene er antallet thiophene-ringer i π-broen. De resulterende cellene ble dermed karakterisert med strøm-spenningsmålinger samt impedansspektroskopi.
I tillegg har vi sett på en celle som har en TiO2/ZnO-kompositt som halvleder. Denne cellen ble deretter karakterisert på samme måte som de andre cellene. Innholdet av ZnO i denne cellen er på 10 % og N719 ble brukt som fargestoff.
Formålet med arbeidet har vært å undersøke hvordan fargestoffet påvirker ytelsen til solcellene, og spesielt rekombinasjonen. Reproduserbarheten av cellene ble også vurdert i tillegg til effekten av å bruke et annet halvledermateriale i cellen.
Resultatene fra karakteriseringen viste at et høyere antall tiophene-ringer i fargestoffet gir en redusert fotostrøm i solcellen. I tillegg ble det vist at rekombinasjonen mellom fargestoffet og elektrolytten øker med antallet thiophene-ringer. På den annen side, viste det seg at introduksjonen av thiophene-ringer økte bredden av lysabsorpsjonsspekteret noe som fører til en økt fotostrøm under 1 sol og AM1.5 forhold. Virkningsgradene for de ulike cellene under 1 sol ble målt til (3.9 ± 0.5) % for cellene som hadde et fargestoff med null thiophene-ringer, (5.0 ± 0.2) % for cellene som hadde et fargestoff med én thiophene-ring, (3.9 ± 0.9) % for cellene som hadde et fargestoff med to thiophene-ringer, (3.3 ± 0.4) % for cellene som hadde et fargestoff med tre thiophene-ringer, og (2.2 ± 0.3) % for cellene som hadde et fargestoff med fire thiophene-ringer.
Impedansresultatene og den påfølgende tilpasningen til den ekvivalente kretsen viste at rekombinasjonen oppførte seg lineært på en logaritmisk skala som funksjon av spenningen i de fleste tilfeller. Resultatene viste også at rekombinasjonsmotstanden utgjør det største bidraget til den totale motstanden i kretsen for nesten alle cellene. Rekombinasjonsmotstandene ble deretter brukt til å reprodusere resultatene fra strøm-spenningsmålingene. Siden overensstemmelsen mellom impedansmålingene og strøm-spenningsmålingene var god konkluderte vi med at rekombinasjonsmotstandene hadde stor nøyaktighet noe som ble brukt i den videre sammenligningen. Sammenligningen av solcellene med ulike fargestoff avslørte at rekombinasjonsmotstanden var høyest for cellene med lavest antall thiophene-ringer.
Disse resultatene viste derfor at introduksjonen av thiophene-ringer øker bredden av absorpsjonsspekteret, men senker rekombinasjonsmotstanden. Derfor vil cellen som har én thiophene-ring være det ideelle valget blant disse fargestoffene ettersom den får utnyttet effekten av et bredere absorpsjonsspekter uten å senke rekombinasjonsmotstanden for mye. Dette samsvarer godt med resultatene av virkningsgradene hvor vi kom fram til samme konklusjon.
Årsaken til at disse forskjellene oppstår ser ut til å være knyttet til dannelsen av flere lag med fargestoff utenpå halvlederen. Det ser også ut som om fargestoffet med flest thiophene-ringer har høyest sannsynlighet for at slike lag dannes. Siden de elektroniske egenskapene for fargestoffene er tilnærmet like betyr det at størrelsen eller lengden av fargestoffet er årsaken til forskjellene.
Når det gjelder sammenligningen av cellene som ble laget med det samme fargestoffet, kom vi fram til at produksjonsprosessen gir veldig reproduserbare resultater. Eneste forbedringsområde ser ut til å være en mer kontrollert behandling av hvor lenge elektrodene farges av fargestoffet før hele cellen settes sammen.
Resultatene for cellene med TiO2/ZnO som halvleder viste at syntesen av pulveret var som forventet, men at partiklene begynte å agglomerere når de ble påført til elektroden. Dermed ble overflatearealet av halvlederen veldig lite og resulterte derfor i en lav virkningsgrad på bare 0.01 %. | |
| dc.description.abstract | A dye-sensitized solar cell utilizes a dye with an appropriate band gap for the photoexcitation of electrons and subsequent injection into a semiconductor with a large band gap, and an electrolyte to transport the resulting positive charges. This method of separating the charges therefore eliminates the need for the high-cost materials and processes required to separate charges in solar cells based on solid-state junctions, allowing for cheaper manufacturing processes.
In this work, dye-sensitized solar cells were stained with different dyes consisting of phenothiazine as the photosensitizer, a π-spacer containing between zero and four thiophene-rings, and an acid group as the anchoring point between the dye and the semiconductor surface. The only difference between the dyes is in the number of thiophene-rings in the π-spacer. The resulting cells were then subjected to current-voltage measurements, incident photon-to-current efficiency measurements, and impedance measurements.
In addition a dye-sensitized solar cell with a TiO2/ZnO composite as the semiconducting material was made and characterized in the same way. The ZnO-content of this composite is 10 % and N719 was used as the dye.
The aim of this work was to investigate how the dyes affect the solar cell performance, especially the recombination mechanisms. The reproducibility of the cells was also assessed, in addition to the effect of using a different semiconducting material in the active layer of the cells.
The results obtained from the characterization showed that dye-molecules with a higher number of thiophene-rings generally results in a reduced photocurrent, and that the recombination between the dye and the electrolyte increases. However, the introduction of thiophene-rings also results in a much broader light absorption spectrum, increasing the photocurrent for these cells. The average values of the efficiency, and the corresponding standard deviation, for each dye-series under 1 sun and AM1.5 conditions were found to be (3.9 ± 0.5) % for the cell stained with a dye with no thiophene-rings, (5.0 ± 0.2) % for the cell stained with a dye with one thiophene-ring, (3.9 ± 0.9) % for the cell stained with two thiophene-rings, (3.3 ± 0.4) % for the cell stained with three thiophene-rings, and (2.2 ± 0.3) % for the cell stained with four thiophene-rings. The cell which was stained with a dye containing one thiophene-ring is therefore the most efficient cell.
The results of the impedance spectroscopy and the subsequent fit to an equivalent circuit revealed a linear trend on the logarithmic scale for the recombination resistance in most cases. These results also showed that the recombination resistance was the dominant contribution to the overall resistance in most cells. Using the resulting values of the recombination resistance, the results of the current-voltage measurements were reproduced from the impedance data. As the impedance data were able to reproduce the current-voltage measurements, the values of the recombination resistances were assessed to be highly accurate. Comparing the recombination resistances for cells stained with dyes with different numbers of thiophene-rings revealed that the fewer number of thiophene-rings resulted in the highest recombination resistance.
The impedance measurements combined with the incident photon-to-current measurements and the IV-measurements therefore showed that there is a benefit of having thiophene-rings in the dye due to the increased photocurrent. However, increasing the number of thiophene-rings heavily decreases the recombination resistance resulting in a lower fill factor and open circuit voltage. The fact that the cell which was stained with a dye containing only one thiophene ring has the highest efficiency, is therefore in good agreement with these results.
The origin for these differences appear to be connected with the formation of multiple dye-layers on the semiconductor surface. It also appears that the dye with the most thiophene-rings has the highest probability of forming such layers. The electronic properties of the dyes were shown to be nearly identical, so the only parameter which remains is the size or length of the dye-molecule. It therefore seems like the longer the dye-molecule, the higher is the probability of forming such multilayers which reduces the recombination resistance of the cells.
The comparison between identical cells also showed that the manufacturing process yields very reproducible results, but reproducibility might be improved if the staining time of the electrodes is controlled more tightly.
As for the results of cells using a TiO2/ZnO composite as the semiconducting material, the synthesis of the powder was a success, but the transfer of the powder to the electrode resulted in aggregated particles with low surface areas. As a result, the efficiency of the TiO2/ZnO cell, which was found to be 0.01 %, was much lower than the TiO2-based cells. | |