Carbon nanomaterials as counter electrodes for dye solar cells

Abstract

The dye solar cell (DSC) is an interesting emerging technology for photovoltaic conversion of solar electromagnetic energy to electrical energy. The DSC is based mainly on cheap starting materials and it can be manufactured by roll-to-roll deposition techniques on flexible substrates, which is considered as one option for cost-effective large-scale solar cell production. The most expensive component of the DSC is the transparent conductive oxide glass substrate, and considerable cost reductions can be achieved by changing it to e.g. a plastic substrate. Plastic substrates are very flexible, lightweight and transparent. The state of the art DSC catalyst is thermally deposited or sputtered platinum, but platinum is a rare and expensive metal. Carbon, on the other hand, is widely available and some of its nanomaterials conduct electricity and are catalytic toward the DSC counter electrode (CE) reduction reaction. In this work, carbon nanomaterials and their composites were studied as the DSC CE active material. The materials were random network single-walled carbon nanotube (SWCNT) film on glass and plastic substrate, vertically aligned multiwalled carbon nanotube "forest" film on steel and quartz substrate and carbon nanoparticle composite film on indium tin oxide-polyethylene terephthalate (ITO-PET) substrate. After comparison of the materials, the SWCNT network film on PET was chosen as the main CE type of this study, since it offers superior conductivity, transparency and flexibility over the other carbon-based CEs, it is also the thinnest and contains only one active material component. When a 30 % transparent SWCNT network film on PET was tested as a DSC CE, it was found out that such a film is not catalytic and conductive enough for a full 1 sun illumination DSC device, but the film could be suitable for a indoor illumination level application. The catalytic properties of a 10 % transparent SWCNT film were improved by depositing conductive PEDOT polymer on the film, and the DSC with such film as the CE had similar efficiency than the reference DSC with a sputtered Pt on ITO-PET CE. The PEDOT-SWCNT film had superior catalytic performance over the studied Pt films. Thus, it can be concluded that carbon nanotube network films and their composite films are a feasible alternative flexible, roll-to-roll depositable DSC CE material.

Väriaineaurinkokenno on lupaava uusi teknologia auringonvalon energian muuntamiseen sähköenergiaksi. Väriainekenno voidaan valmistaa pääosin melko edullisista materiaaleista ja se sopii teolliseen rullalta rullalle -tuotantoon joustaville alustoille, mitä pidetään yhtenä mahdollisuutena edulliseen ja laajamittaiseen teolliseen aurinkokennotuotantoon. Väriainekennon kallein komponentti on läpinäkyvällä johtavalla pinnoituksella päällystetty lasialusta, ja merkittäviä kustannussäästöjä voidaan saavuttaa vaihtamalla lasi muovialustaan. Muovialustat ovat erittäin taipuisia, kevyitä ja läpinäkyviä. Kennon standardikatalyytti on termisesti pinnoittamalla tai sputteroimalla valmistettu platinakalvo, mutta platina on harvinainen ja arvokas metalli. Hiiltä taas on runsaasti saatavilla ja jotkut sen nanomateriaalit johtavat sähköä ja ovat katalyyttisiä kennon vastalektrodin pelkistysreaktiolle. Tässä työssä tutkittiin hiilinanomateriaaleja ja niiden komposiitteja väriaineaurinkokennon vastaelektrodin aktiivisena materiaalina: satunnaisesti järjestäytyneistä yksiseinäisistä hiilinanoputkista koostuvaa kalvoa lasilla ja muovilla, vertikaalisesti järjestäytyneistä moniseinäisistä hiilinanoputkista koostuvaa kalvoa kvartsilla ja teräksellä ja hiilinanopartikkelikomposiittikalvoa indium-tinaoksidi-muovilla (ITO-muovi). Vertailun jälkeen satunnaisesti järjestäytyneistä yksiseinäisistä hiilinanoputkista koostuva kalvo muovilla valittiin päätutkimuskohteeksi, koska se oli kalvotyypeistä parhaiten sähköä johtava, läpinäkyvin ja taipuisin. Lisäksi se oli ohuin ja sisälsi vain yhden aktiivisen materiaalin komponentin. 30 % läpinäkyvä satunnaisesti järjestäytynyt hiilinanoputkikalvo muovilla ei ollut tarpeeksi katalyyttinen eikä johtava täyden auringonvalon ulkosovelluksiin, mutta sisävalaistussovelluksiin sen ominaisuudet olivat riittävät. Kun 10 % läpinäkyvä hiilinanoputkikalvo muovilla pinnoitettiin johtavalla PEDOT-polymeerillä ja kalvoa testattiin kennossa, kennon hyötysuhteeksi saatiin suunnilleen sama kuin vertailukennon, jossa oli vastaelektrodina sputteroitu platinakatalyytti ITO-muovilla. PEDOT-hiilinanoputki-kalvolla oli myös parempi katalyyttinen suorituskyky kuin tutkituilla platinakalvoilla. Tutkimuksen johtopäätöksenä voidaan todeta, että hiilinanoputkikalvot ja -komposiittikalvot muovilla ovat toteuttamiskelpoisia vaihtoehtoisia materiaaleja taipuisille väriainekennovastaelektrodeille.