Materiały hybrydowe do zastosowań w ogniwach słonecznych sensybilizowanych barwnikiem - badanie wpływu modyfikatorów TiO2 oraz struktury ligandów kotwiczących w cząsteczkach sensybilizatorów na mechanizm przenoszenia nośników ładunków
Loading...
Date
2022
Authors
Editor
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Title alternative
Hybrid materials for dye-sensitized solar cells applications – investigating the influence of TiO2 modifiers and structure of anchoring ligands in sensitizers molecules on the charge transfer mechanism
Abstract
Cel niniejszej pracy doktorskiej - wyjaśnienie zjawisk oraz mechanizmów zachodzących podczas pracy ogniw typu DSSC, w oparciu o nanomateriały TiO2 domieszkowane jonami metali przejściowych, a także sensybilizatory o zmodyfikowanej strukturze ligandów kotwiczących – został w pełni zrealizowany. W ramach pracy otrzymano, na drodze metody zol-żel, trzynaście nanomateriałów TiO2 domieszkowanych kationami Zr4+, Cu2+, Mn2+ oraz Ni2+ o różnej zawartości procentowej modyfikatorów. Właściwości strukturalne oraz optyczne zsyntezowanych tlenków zostały szczegółowo scharakteryzowane następującymi metodami analitycznymi: XRF, XRD, TEM, SEM, spektroskopia Ramana, analiza sorpcji azotu, FTIR, TGA, DRS, XPS, UPS, EPR. Elektrody robocze wykonane z P25 oraz TiO2:Zr4+/Cu2+/Mn2+/Ni2+ sensybilizowano barwnikiem N3, a część z nich także związkami kompleksowymi serii BX (X=1/2/3). W ostatniej części pracy badano bowiem wpływ budowy ligandów kotwiczących związków kompleksowych serii BX na mechanizm przeniesienia ładunku w ogniwach typu DSSC. Parametry fotowoltaiczne wykonanych w ramach pracy doktorskiej ogniw słonecznych wyznaczono w oparciu o krzywe J-V, a także spektroskopię EIS oraz IPCE. Ponadto, wyniki eksperymentalne odnoszono do obliczeń kwantowo-chemicznych w celu dokładniejszego zrozumienia procesów transferu ładunku między barwnikiem a półprzewodnikiem.
The main goal of this doctoral thesis - explaining the phenomena and mechanisms occurring during the operation of DSSC based on TiO2 nanomaterials doped with transition metal ions, as well as sensitizers with a modified structure of anchoring ligands - has been fully accomplished. As a part of the work, thirteen TiO2 nanomaterials doped with Zr4+, Cu2+, Mn2+, and Ni2+ cations with different modifier amounts have been obtained using the sol-gel method. The structural and optical properties of the synthesized oxides have been characterized in detail by the following analytical techniques: XRF, XRD, TEM, SEM, Raman spectroscopy, nitrogen sorption analysis, FTIR, TGA, DRS, XPS, UPS, and EPR. Working electrodes utilizing P25 and TiO2:Zr4+/Cu2+/Mn2+/Ni2+ have been sensitized with N3 dye, and some of them also with BX series complex compounds (X = 1/2/3). In the last part of the work, the influence of the structure of the anchoring ligands of the BX series complex compounds on the charge transfer mechanism in DSSC cells has been investigated. The photovoltaic parameters of solar cells made as part of the doctoral dissertation were determined based on J-V curves, as well as EIS and IPCE spectroscopy. In addition, the experimental results were related to quantum-chemical calculations to better understand the charge transfer processes between the dye and the semiconductor.
The main goal of this doctoral thesis - explaining the phenomena and mechanisms occurring during the operation of DSSC based on TiO2 nanomaterials doped with transition metal ions, as well as sensitizers with a modified structure of anchoring ligands - has been fully accomplished. As a part of the work, thirteen TiO2 nanomaterials doped with Zr4+, Cu2+, Mn2+, and Ni2+ cations with different modifier amounts have been obtained using the sol-gel method. The structural and optical properties of the synthesized oxides have been characterized in detail by the following analytical techniques: XRF, XRD, TEM, SEM, Raman spectroscopy, nitrogen sorption analysis, FTIR, TGA, DRS, XPS, UPS, and EPR. Working electrodes utilizing P25 and TiO2:Zr4+/Cu2+/Mn2+/Ni2+ have been sensitized with N3 dye, and some of them also with BX series complex compounds (X = 1/2/3). In the last part of the work, the influence of the structure of the anchoring ligands of the BX series complex compounds on the charge transfer mechanism in DSSC cells has been investigated. The photovoltaic parameters of solar cells made as part of the doctoral dissertation were determined based on J-V curves, as well as EIS and IPCE spectroscopy. In addition, the experimental results were related to quantum-chemical calculations to better understand the charge transfer processes between the dye and the semiconductor.
Description
Wydział Chemii
Sponsor
Badania naukowe zostały zrealizowane w ramach projektu współfinansowanego przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego w ramach Programu Operacyjnego Wiedza, Edukacja, Rozwój (nr projektu POWR.03.02.00-00-I023/17) oraz grantu naukowego (nr projektu 2017/25/B/ST8/01864) sfinansowanego przez Narodowe Centrum Nauki.
Keywords
domieszkowany tlenek tytanu(IV), DSSC, wakanse tlenowe, zjawisko przeniesienia ładunku, ligandy kotwiczące, doped titanium dioxide (IV), DSSC, oxygen vacancies, charge transfer phenomenon, anchoring ligands