Manufacturing and characterization of compacted and low-temperature-sintered nanostructured titanium dioxide films for dye-sensitized solar cells

Abstract

The dye-sensitized solar cell (DSSC) is an electrochemical solar cell. The absorption of light takes place in dye molecules adsorbed as a monolayer on a nanostructured wide band-gap semiconductor electrode which is usually titanium dioxide. To date, the efficiency record for a DSSC is ca 11 %.

The most efficient photo electrodes are obtained by sintering at high temperatures requiring the use of glass substrates. The current research trend is to replace the costly glass by inexpensive plastic substrates by developing compaction and low-temperature sintering (at 150°C or below) techniques to deposit the titanium dioxide. The ultimate goal is to produce both the photo electrode and the counter electrode by compaction in continuous roll-to-roll processes.

This thesis starts with an introduction to the characteristics of solar cells and the basic technology behind the DSSC. This is followed by discussing the phenomenology of compaction and sintering.

Nanocrystalline TiO2 is a hard ceramic material, which cannot be compacted easily to high densities. If the starting powder is additionally agglomerated, the resulting product has high porosity. Also, sintering below 550°C does not activate significant densification in the powder giving a porous product with strong interparticle contacts.

Titanium dioxide thin films were prepared by compaction and low-temperature sintering both on glass and plastic substrates. Characterization of the titanium dioxide materials and films utilized in the photo electrode of the DSSC was performed by light and electron microscopy, thermal analysis and current-voltage performance measurements of whole solar cells using a solar simulator at illumination corresponding to 1000 W /m2 and AM 1.5G spectrum.

Compaction resulted in stable and thick TiO2 films with good performance, whereas the stability of low-temperature sintered films was poor and thick films could not be prepared. Their performance was nonetheless good taking their thinness into account. The best efficiencies obtained for DSSCs with compacted TiO2 films were 3.3 % and 1.7 % on glass and plastic substrates, respectively. Correspondingly, the efficiencies obtained by low-temperature sintering were 2.7 % and 1.7 % on glass and plastic substrates, respectively.

Väriaineherkistetty aurinkokenno (väriainekenno) on sähkökemiallinen aurinkokenno. Valon absorptio tapahtuu väriainemolekyyleissä, jotka ovat kiinnittyneet yksikerroksisena korkean energiavälin omaavan puolijohde-elektrodin pinnalle. Yleisin puolijohde on titaanidioksidi. Nykyinen viiriainekennon hyötysuhde-ennätys on noin 11 %.

Ominaisuuksiltaan parhaimmat valoelektrodit saadaan sintraamalla korkeissa lämpötiloissa, jolloin alustana on oltava lasi. Nykyinen tutkimus pyrkii korvaamaan hintavan lasin halvoilla muovialustoilla kehittämällä prässäys- ja matalan lämpötilan (150 °C tai alle) sintrausmenetelmiä titaanidioksidin kerrostamiseksi. Päätavoitteena on pystyä valmistamaan sekä valo- että vastaelektrodi prässäämällä jatkuvatoimisessa rullalta rullalle prosessissa.

Työn alussa esitellään aurinkokennojen ominaisuuksia ja väriainekennon perusteknologia. Tämän jälkeen esitellään prässäykseen ja sintraamiseen liittyviä ilmiöitä.

Nanokokoluokan TiO2 on kova keraaminen aine, jota ei voi prässätä helposti hyvin tiheäksi. Jos jauhe on lisäksi paakkuuntunutta, prässätystä tuotteesta tulee hyvin huokoinen. Sintraaminen alle 550 "C:een lämpötiloissa ei aktivoi tihentymistä merkittävästi tuottaen huokoisen tuotteen, jossa partikkelien väliset kontaktit ovat vahvat.

Titaanidioksidiohutkalvoja on valmistettu prässäämällä ja matalassa lämpötilassa sintraamalla sekä lasi- että muovialustoille. Titaanidioksidimateriaalien ja väriainekennon valoelektrodina käytettävien TiO2 -kalvojen karakterisoinnissa on käytetty valo- ja elektronimikroskopiaa, termoanalyysia ja virtajännitesuorituskyvyn mittaamista kokonaisista aurinkokennoista aurinkosimulaattorilla olosuhteissa, jotka vastaavat 1000 W/m2 valotehoa ja AM1.5G spektriä.

Prässäämällä saatiin kestäviä ja paksuja sekä suorituskykyisiä TiO2-kalvoja, kun taas matalassa lämpötilassa sintrattujen kalvojen kestävyys oli puutteellinen ja paksuja kalvoja ei pystytty valmistamaan. Ohuus huomioon ottaen niiden suorituskyky oli kuitenkin hyvä. Parhaimmat hyötysuhteet, jotka väriainekennoille saatiin, olivat 3.3 % lasi- ja 1.7 % muovialustoille. Vastaavasti matalassa lämpötilassa sintraamalla saatiin 2.7 % lasi- ja 1.7 % muovialustoille.