Optimization of charge separation in organic dye-sensitized solar cells (DSSCs) with different nanostructure films and redox mediators

Abstract

Wydział Fizyki: Zakład Fizyki Kwantowej/Centrum NanobiomedyczneBadania będące podstawą tej pracy doktorskiej odnoszą się do zagadnienia optymalizacji skomplikowanych foto-fizykochemicznych układów jakimi są barwnikowe ogniwa słoneczne (DSSC). Wiele aspektów ich budowy jest wzięte pod uwagę: rodzaj i morfologia użytego materiału fotoanody, typ użytego barwnika, różne rodzaje modyfikacji powierzchniowych elektrody, rodzaj elektrolitu oraz jego domieszki. Procesy transportowe zachodzące w tych ogniwach w skalach czasowych od fs do s zostały przebadane przy pomocy zestawu technik badawczych, m.in.: spektroskopii laserowej (UV-VIS, IR, spektroskopia czasowo-rozdzielcza), fotolizy błyskowej, elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej, pomiarów krzywych prądowo-napięciowych oraz obrazowania przy pomocy mikroskopii SEM i TEM. Badania laboratoryjne zostały wsparte rozważaniami teoretycznymi, które zaowocowały stworzeniem i implementacją algorytmu optymalizującego parametry pojedynczych i tandemowych ogniw słonecznych w celu zmaksymalizowania wydajności. Wszelkie wnioski są oparte na cyklu 6 publikacji składających się na rdzeń pracy i są zaprezentowane wraz krótkim opisem działania ogniw barwnikowych oraz użytych technik badawczych.The research performed in this PhD thesis revolves around optimization of a complex photo-physicochemical systems that DSSC are. Number of aspects are taken into account: the type and morphology of the photoanode material, type of the utilized dye, various types of electrode surface treatment, type of electrolyte redox couple and additional electrolyte constituents. Kinetic processes occurring in these devices on the timescales from fs to s are probed using a set of measuring techniques including: laser spectroscopy (UV-VIS, IR, transient spectroscopy), flash photolysis, electrochemical impedance spectroscopy, current-voltage measurements together with SEM and TEM imaging. Laboratory work is supported by the theoretical considerations in the form of creation and implementation of the algorithm, which optimizes parameters of single and tandem solar cells in order to obtain the highest efficiency. All the conclusions are drawn from the set of 6 publications being the backbone of the thesis and are presented together with a short description of operating principles of DSSCs and measuring techniques.Work was partially financed from the project "Rozwój środowiskowych interdyscyplinarnych studiów doktoranckich w zakresie nanotechnologii-elektroniki i fotowoltaiki w Instytucie Fizyki Molekularnej PAN w Poznaniu i na Wydziale Fizyki UAM" UDA-POKL.04.03.00-00-015/12-00 in the frame of Human Capital Operational Program funded fromEuropean Social Fund and by National Science Centre OPUS grant no. 2012/05/B/ST3/03284 named „Badanie elementarnych procesów separacji ładunku w fotoogniwach barwnikowych metodami czasowo-rozdzielczej spektroskopii optycznej”