Dye-sensitized nanostructured and organic photovoltaic cells: technical review and preliminary tests

Abstract

The solar electricity is presently a rapidly growing but often relatively expensive renewable energyform. Recently however, new molecular photovoltaic (PV) materials have been developed, whichcould enable a production of low-cost solar cells in the future. The thesis begins with a discussion of the current status of the PV technology and a shortintroduction to the different PV technologies and to the basics of photovoltaics. The dye-sensitized solar cell (DSSC) is an electrochemical solar cell where light absorption occursby dye molecules attached to a nanostructured TiO2 electrode. An introduction to the DSSC is givenincluding a short description of the operating principle of the cell and a discussion of the physicaland chemical processes behind it. A systematic literature review is done on the materials and mostessential preparation methods of the standard DSSC. The performance of the DSSC is reviewed in terms of the energy conversion efficiency and the longtermstability. The important directions of development are the transition from glass substrates toplastic foils and from batch processing to continuous processing as well as the use of solid stateelectrolytes. The glass-based DSSC technology is on the verge of commercialization and themanufacturing cost estimates for the technology are close to the projected costs of other PVtechnologies. The purely organic solar cells are discussed individually beginning with the discussion of thefundamentals of organic photovoltaics and an introduction of different types of organic photovoltaicmaterials including semiconducting polymers, dyes, pigments and liquid crystalline materials. Areview is done on the performance results of organic solar cells categorizing the cells by their devicearchitecture. The development of the organic PV materials is still at an early stage and no clearlyoutperforming materials or cell structures have yet emerged. Experimental results are reported including a demonstration of the dye-sensitization with a naturaldye as well as a preparation and testing of a series of ruthenium-dye based DSSCs. An efficiency of0.6% at about 600 W/m2 solar illumination was obtained for the DSSCs in outdoor measurements.

Aurinkosähkö on tällä hetkellä nopeasti kasvava mutta usein verrattain kallis uusiutuvaenergiamuoto. Viime aikoina on kuitenkin kehitetty uusia molekulaarisia aurinkosähkömateriaaleja,jotka voivat mahdollistaa tulevaisuudessa halpojen aurinkosähkökennojen tuotannon. Työn alussa käsitellään aurinkosähkön nykytilaa ja luodaan lyhyt katsaus eriaurinkosähköteknologioihin ja aurinkosähkön perusteisiin. Väriaineherkistetty aurinkokenno (väriainekenno) on valosähkökemiallinen aurinkokenno, jossavalon absorptio tapahtuu nanorakenteisen TiO2 -elektrodin pintaan kiinnittyneidenväriainemolekyylien avulla. Työssä esitellään väriainekennon toimintaperiaate ja tarkastellaan sentaustalla olevia fysikaalisia ja kemiallisia prosesseja, sekä tehdään järjestelmällinenkirjallisuuskatsaus perusväriainekennon materiaaleihin ja tärkeimpiin valmistusmenetelmiin. Väriainekennon suorituskykyä tarkastellaan energian konversion hyötysuhteen japitkäaikaisstabiilisuuden osalta. Tärkeitä kehityssuuntia ovat siirtyminen lasisubstraateistamuovikalvoihin ja vaiheittaisesta valmistusprosessista jatkuvaan prosessiin sekä kiinteidenelektrolyyttien käyttö. Lasisubstraattiin perustuva väriainekennoteknologia on kaupallistumisenkynnyksellä ja sen valmistuskustannusarviot ovat lähellä muiden aurinkosähköteknologioidenkustannusennusteita. Puhtaasti orgaanisia aurinkosähkökennoja tarkastellaan erikseen alkaen orgaanistenaurinkosähkömateriaalien fysikaalisista perusteista. Tämän jälkeen esitellään erilaiset orgaanisetaurinkosähkömateriaalit, joihin kuuluu puolijohtavia polymeerejä, väriaineita, pigmenttejä janestekiteisiä materiaaleja, sekä tehdään katsaus orgaanisten kennojen tuloksiin luokitellen kennotniiden rakenteen mukaan. Orgaanisten aurinkosähkömateriaalien kehitys on vielä alkuvaiheessa eikäselkeästi suorituskyvyltään muita parempia materiaaleja ja kennorakenteita ole vielä ilmennyt. Lopuksi esitetään kokeelliset tulokset väriaineherkistyksen havainnollistamisesta luonnonväriaineella sekä ruteeni-väriaineeseen perustuvien väriainekennojen valmistuksesta ja testauksesta.Ulkomittauksissa 600 W/m2 auringonvalossa saavutettiin väriainekennojen hyötysuhteeksi 0.6%.