Ionic Liquid Electrolytes and Their Quasi-solidification with Carbon Nanoparticles for Dye Solar Cells

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2011
Major/Subject
Ydin- ja energiatekniikka
Mcode
Tfy-56
Degree programme
Language
en
Pages
130
Series
Abstract
Dye solar cells (DSC) are a potentially viable future source of low-cost renewable energy, provided that certain critical problems related to their stability and suitability for mass production are solved. The main problems preventing wide-spread utilization of DSCs include high cost of transparent conducting substrates, degrading dyes and volatile organic solvent-based electrolytes. In this work we concentrate on the electrolyte volatility issue, or to be more precise, replacement of the organic solvents with nonvolatile ionic liquids. Non-volatility of ionic liquids is accompanied by their high viscosity, which poses a problem in view of electrolyte charge transfer. In this thesis, means of alleviating the charge transfer problem through quasi-solidification of ionic liquid electrolytes with carbon nanoparticles are studied first of all through a literature survey, and secondly through experimental work. The experimental section consists of two parts, including firstly an analysis of performance limiting factors in DSCs with an ionic liquid electrolyte, and secondly attempts to remove or relieve these restrictions through the dispersion of carbon nanoparticles into the electrolyte. Experimental results are consequently paralleled with a diffusion model in order to shed light on the principles behind the observed phenomena. In this work, a maximum average efficiency of 1.1 % was achieved by using a two-component electrolyte composed of a polyaniline-loaded carbon black (PACB) dispersed in 1-propyl-3-methylimidazolium iodide (PMII) ionic liquid without additive iodine. Although the above efficiency lags behind that of both an organic solvent based electrolyte DSC (5.3 %) and a reference ionic liquid electrolyte DSC with additive iodine (1.5 %), the non-volatility, simple consistence and screen-printability, added with the fact that no separate platinum catalyst was required at the counter electrode due to catalytic activity of PACB, speak for the two-component ionic liquid-carbon nanoparticle composite electrolyte. New information about the working principle and impedance behavior of the ionic liquid-carbon nanoparticle composite electrolyte DSC was obtained in this work. The fact that we managed to improve the efficiency of the composite electrolyte DSC through introducing an insulating zirconium dioxide spacer layer between the photoelectrode and the electrolyte layer opens up new research pathways on the topic.

Väriaineaurinkokennot ovat uskottava vaihtoehto tulevaisuuden edulliseen uusiutuvan energian tuotantoon edellyttäen, että kriittiset ongelmat liittyen stabiilisuuteen ja massatuotantokelpoisuuteen saadaan ratkaistua. Pääesteet väriainekennojen yleistymisen tiellä ovat johtavien ja läpinäkyvien substraattimateriaalien korkea hinta, degradoituvat väriaineet ja haihtuvat orgaanisiin liuottimiin pohjautuvat elektrolyytit. Tässä työssä keskitytään elektrolyytin haihtumisongelmaan, tarkalleen ottaen orgaanisten liuottimien korvaamiseen haihtumattomilla ioninesteillä. Ioninesteiden haihtumattomuuden kääntöpuoli on niiden korkea viskositeetti, joka aiheuttaa varauksensiirto-ongelmia elektrolyyteissä. Tässä työssä tutkitaan ioninesteiden varauksensiirto-ongelmien korjaamista suspensoimalla niihin hiilinanopartikkeleita. Työ sisältää kirjallisuuskatsauksen aiheeseen, minkä lisäksi työssä on kokeellinen osuus. Kokeellinen osa koostuu kahdesta osasta, joista ensimmäinen sisältää analyysin ioninestekennojen hyötysuhdetta rajoittavista tekijöistä, ja toinen koskee hyötysuhderajoitusten poistamista tai lievittämistä dispergoimalla kyseiseen elektrolyyttityyppiin hiilinanopartikkeleita. Kokeellisten tulosten lisäanalyysiin käytetään diffuusiomallia, jonka avulla pyritään selventämään elektrolyyttien toimintaperiaatetta. Tässä työssä saavutettiin 1,1 % hyötysuhde käyttämällä kahdesta aineesta, polyaniliinihiilimustasta (PACB) ja propyyli-3-metyyli-imidatsolijodidista (PMII) koostuvaa komposiittielektrolyyttiä ilman lisäainejodia. Vaikkakin kyseinen hyötysuhde jäi jälkeen orgaaniseen liuotinelektrolyyttiin pohjautuvalla kennolla saavutetusta 5,3 % hyötysuhteesta, ja lisäainejodia sisältävän vertailuioninestekennon 1,5 %:sta, komposiittielektrolyytin puolesta puhuvat sen haihtumattomuus, yksinkertainen koostumus, silkkipainettavuus, sekä se, että vastaelektrodin platinakatalyytti osoittautui tarpeettomaksi polyaniliinihiilimustan katalyyttisen aktiivisuuden ansiosta. Tässä työssä saavutettiin uutta tietoa ioninesteestä ja hiilinanopartikkeleista koostuvan komposiittielektrolyytin toimintaperiaatteesta väriaineaurinkokennossa, sekä tämän tyyppisten kennojen impedanssispektrin erikoispiirteistä. Se, että komposiittikennon hyötysuhdetta kyettiin parantamaan fotoelektrodin ja komposiittielektrolyytin välisellä huokoisella zirkoniumoksidista koostuvalla eristekerroksella, avaa uusia tutkimusreittejä aiheeseen.
Description
Supervisor
Lund, Peter
Thesis advisor
Halme, Janne
Keywords
carbon nanoparticle, diffuusiomalli, dye solar cell, elektrolyytti, electrolyte, hiilimusta, ionic liquid, hiilinanopartikkeli, polyaniline, hiilinanoputki, carbon black, ionineste, carbon nanotube, väriaineaurinkokenno, diffusion model
Other note
Citation