Influence of Materials and Aging Test Design on Dye Solar Cell Stability

Thumbnail Image

Files

isbn9789526405742.pdf (4.63 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2021-11-12
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2021

Department

Teknillisen fysiikan laitos
Department of Applied Physics

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

65 + app. 113

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 151/2021

Abstract

Dye solar cells are an emerging third-generation photovoltaic technology. Its main advantages are the low cost of materials and manufacturing, and the possibility to adjust the colour of the cell by selecting different dyes. Currently one of the main obstacles for commercialisation of dye solar cells is their relatively short lifetime. Silicon solar panels are often given guarantees of over two decades, while dye solar cells can reliably function only for a few years in outdoor conditions. This work focuses on dye solar cell stability from multiple perspectives: the impact of different materials and structures, effect of operating conditions to the cell lifetime, and analysis of the methods used for studying dye solar cell stability. A practical challenge in the production of robust and large dye solar cells is reliably sealing its liquid electrolyte within the cell. It was discovered that soaking a nanocellulose or nanochitin membrane in an electrolyte solution and then sealing it inside the dye solar cell not only simplifies the assembly process, but also increases the initial energy conversion efficiency of the solar cells. Research for improved dye solar cell lifetime can be supported studying how operating conditions affect it, i.e. what kind of factors and mechanisms are most detrimental to stability and should always be taken into consideration in cell design. Since a dye solar cell can function for some years in standard operation, stability studies generally rely on accelerated tests. One focus of this thesis was to study how well approximations made in accelerated tests correspond to realistic conditions. A common mistake in dye solar cell stability testing is to underestimate the degrading effects of UV light. It was found that even a UV filter is inadequate to protect dye solar cells fully, suggesting that UV degradation of dye solar cells is still an issue requiring further research. Another topic that is discussed is how the circuit state of the cells impacts their degradation rate. When solar cells are operating in practice, they are connected to an electric load that brings them close to their maximum power point. Often this is overlooked in research and dye solar cells are aged in open circuit conditions, which may artificially lengthen the lifetime of dye solar cells. This thesis demonstrates that the difference between the two states is small. The work also includes pioneering aging tests in harsh northern conditions. The stability research practices in the field of emerging photovoltaics was reviewed, providing suggestions on how to improve the corresponding research to obtain more accurate results.

Väriaineaurinkokennot ovat nouseva kolmannen sukupolven aurinkoenergiateknologia, jonka tärkeimpiä etuja ovat materiaalien ja valmistuksen alhainen hinta sekä mahdollisuus vaikuttaa kennon väriin eri väriaineilla. Tällä hetkellä suurin este väriaineaurinkokennojen laajamittaiselle kaupallistamiselle on niiden suhteellisen lyhyt elinikä. Piiaurinkokennojen toimintakyky on usein taattu yli kahdeksikymmeneksi vuodeksi, kun taas väriaineaurinkokennot selviävät parhaimmillaan pari vuotta ulkoilmaolosuhteissa. Tämä väitöskirja keskittyy väriaineaurinkokennojen elinikään ja stabiiliuteen useasta näkökulmasta: erilaisten materiaalien ja rakenteiden sekä ikäännytysolosuhteiden vaikutukseen väriaineaurinkokennojen elinikään ja analyysiin väriaineaurinkokennojen stabiilisuustutkimuksen metodeihin. Väriaineaurinkokennojen nestemäisen elektrolyytin tiivis sulkeminen kennon sisään on tärkeä käytännön haaste, joka tulee huomioida varsinkin suurien kennojen suunnittelussa. Tässä työssä toteamme, että elektrolyytillä täytettyjen nanoselluloosa- ja nanokitiinikalvojen sulkeminen kennon sisään helpottaa väriaineaurinkokennojen kasausprosessia ja kasvattaa niiden alkuhyötysuhdetta. Tutkimusta väriaineaurinkokennojen stabiiliuden parantamiseksi voi tukea selvittämällä kuinka eri ikäännytysolosuhteet vaikuttavat kennon elinikään. Niiden vaikutusten tunteminen puolestaan auttaisi selvittämään mitkä mekanismit ja ulkoiset tekijät ovat suurin haitta kennojen stabiiliudelle ja siten otettava huomioon kennojen suunnittelussa. Koska väriaineaurinkokennot voivat toimia useita vuosia normaaliolosuhteissa, ikäännytystutkimuksessa luotetaan nopeutettuihin testeihin. Yksi tämän työn painopisteistä on selvittää kuinka tarkasti nopeutetuissa testeissä tehdyt olettamukset vastaavat realistisia olosuhteita. Tyypillinen virhe väriaineaurinkokennojen ikäännytystutkimuksessa on UV-valon vaikutuksen aliarvioiminen. Yksi tämän työn tutkimuksista todistaa jopa UV-suojakalvon riittämättömyyden suojaamaan väriaineaurinkokennoja UV-säteilyn haittavaikutuksilta, mikä viittaa UV suojauksen tarvitsevan vielä lisätutkimusta. Toinen osatutkimus käsittelee väriaineaurinkokennon virtapiirin tilaa. Realistisessa käytössä väriaineaurinkokennot operoivat lähellä maksimitehopistettään. Usein tämä jätetään huomiotta ikäännytystutkimuksessa ja kennot ikäännytetään avoimessa virtapiirissä, mikä voi keinotekoisesti pidentää kennojen elinikää. Tutkimus demonstroi, että ero virtapiirin tilojen välillä on pieni. Ikäännytysolosuhteiden vaikutukseen keskittyvää tutkimusta jatkettiin uraauurtavalla stabiilisuustestillä ankarissa syksyisissä ulkoilmaolosuhteissa. Ikäännytysolosuhteiden käsittely päätetään kirjallisuuskatsauksella stabiiliustutkimuksen nykyisiin käytäntöihin ja ehdotuksilla niiden parantamiseen tarkempien tulosten saavuttamiseksi.

Description

Defence is held on 12.11.2021 12:00 – 16:00 via remote technology (Zoom), https://aalto.zoom.us/j/68987458975

Supervising professor

Lund, Peter D., Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland

Thesis advisor

Miettunen, Kati, Prof., University of Turku, Department of Mechanical and Materials Engineering, Finland

Keywords

photovoltaics, dye solar cells, stability, degradation, aging test, aurinkoenergia, väriaineaurinkokennot, stabiilius, ikäännytyskoe

Other note

Parts

  • [Publication 1]: Poskela, Aapo; Miettunen, Kati; Borghei, Maryam; Vapaavuori, Jaana; Greca, Luiz G.; Lehtonen, Janika; Solin, Katariina; Ago, Mariko; Lund, Peter D.; Rojas, Orlando J. Nanocellulose and Nanochitin Cryogels Improve the Efficiency of Dye Solar Cells. ACS Sustain. Chem. Eng. 7, 12, 10257–10265 (2019). ISSN: 21680485.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201907304583
    DOI: 10.1021/acssuschemeng.8b06501 View at publisher
  • [Publication 2]: Kamppinen, Aleksi; Aitola, Kerttu; Poskela, Aapo; Miettunen, Kati; Lund, Peter D. Stability of cobalt complex based dye solar cells with PEDOT and Pt catalysts and different electrolyte concentrations. Electrochim. Acta 335, 135652 (2020). ISSN: 00134686.
    DOI: 10.1016/j.electacta.2020.135652 View at publisher
  • [Publication 3]: Poskela, Aapo; Miettunen, Kati; Tiihonen, Armi; Lund, Peter D. The state of external circuit affects the stability of dye-sensitized solar cells. Electrochim. Acta 275, 59–66 (2018). ISSN: 00134686.
    DOI: 10.1016/j.electacta.2018.04.117 View at publisher
  • [Publication 4]: Lepikko, Sakari, Miettunen, Kati, Poskela, Aapo, Tiihonen, Armi & Lund, Peter D. Testing dye-sensitized solar cells in harsh northern outdoor conditions. Energy Sci. Eng. 6, 3, 187– 200 (2018). ISSN: 20500505.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201806183302
    DOI: 10.1002/ese3.195 View at publisher
  • [Publication 5]: Poskela, Aapo; Miettunen, Kati; Tiihonen, Armi; Lund, Peter D. Extreme sensitivity of dye solar cells to UV-induced degradation. Energy Sci. Eng. 1–8 (2020). ISSN: 20500505.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202103032205
    DOI: 10.1002/ese3.810 View at publisher
  • [Publication 6]: Tiihonen, Armi; Miettunen, Kati; Halme, Janne; Lepikko, Sakari; Poskela, Aapo; Lund, Peter D. Critical analysis on the quality of stability studies of perovskite and dye solar cells. Energy Environ. Sci. 11, 4, 730–738 (2018). ISSN: 17545706.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201804042067
    DOI: 10.1039/c7ee02670f View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-0574-2

Collections

[diss] Perustieteiden korkeakoulu / SCI