Preparation and ionic transport properties of conductive polymers for dye-sensitized solar cells Thesis uri icon

abstract

  • Ce travail vise à améliorer les composants des cellules solaires à pigment photo-sensibles (en anglais dye-sensiztized solar cells, DSSCs). Ce type de cellule photovoltaïque se compose principalement d'une photoanode, d'une contre électrode, d'une molécule sensible à la lumière (pigment) et d'une solution électrolyte qui régénère la cellule solaire à travers un système redox. L'amélioration de la DSSC se concentre sur le matériau utilisé dans la contre électrode. Généralement, cette dernière est faite de platine déposé sur un verre conducteur. Cependant, le platine est un métal coûteux qui est difficile à manipuler et peut être corrodé par le couple redox. Dans cette perspective, un matériau alternatif pour le platine est étudié et qui s’agit du polymère conducteur (3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT). Ce polymère a une structure qui favorise la conductivité ionique et électronique, et il peut être dopé avec des anions différents (par exemple PSS, perchlorate). Le PEDOT a été synthétisé par la voie chimique ainsi que la voie électrochimique. Sa structure chimique a été caractérisée par FTIR. Le comportement électrochimique du PEDOT a été évalué par la voltamétrie cyclique (CV). L'activité catalytique du PEDOT vis-à-vis du système redox s'est avérée plus élevée que celle du platine. En plus de l'approche expérimentale, la modélisation de la conductivité ionique et électronique du PEDOT a été réalisée en se basant sur les formalismes de Nernst-Planck-Poisson et de Butler-Volmer. Les résultats de la simulation ont été ajustés aux données expérimentales. Dans la dernière étape, le polymère conducteur PEDOT a été utilisé comme une contre électrode pour fabriquer des DSSCs. Les cellules ont été caractérisées par la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) et par les courbes de courant-tension (J-V). Les cellules à base de PEDOT ont montré une efficacité de 8,1 %, ce qui était plus élevé que les cellules solaires à base de platine (6,3 %).
  • Este trabalho visa melhorar os componentes das células solares sensíveis ao corante (DSSCs) que são um tipo de células fotovoltaicas que consistem principalmente em um foto-ânodo, um contra elétrodo, uma molécula sensível à luz (sensibilizante) e uma solução de eletrólitos que regenera a célula solar através de um sistema redox. A melhoria da DSSC centra-se no material usado para o contra elétrodo. O contra elétrodo é geralmente preparado através da deposição de uma camada fina de platina na superfície de um substrato de vidro condutor. No entanto, a platina é um metal caro que é difícil de manipular, pode ser corroído pelo redox e nessa perspetiva, materiais alternativos (polímeros condutores, grafite, nanotubos de carbono…) para a substituição da platina têm vindo a ser investigados. Nesta investigação foi escolhido o polímero condutor poli (3,4-etilenodioxitiofeno) (PEDOT) para substituir a platina na preparação do contra elétrodo. Este polímero possui uma estrutura que promove altas condutividades iônicas e eletrônicas, podendo ser dopado com diferentes aniões (por exemplo, PSS, perclorato). O PEDOT foi sintetizado quimicamente e electroquimicamente, a sua estrutura química foi caracterizada por espectroscopia de infravermelhos (FTIR) e o comportamento eletroquímico do PEDOT foi avaliado através de voltamétrica cíclica (CV). A atividade catalítica de PEDOT para o sistema redox provou ser maior do que a atividade da platina. Além da abordagem experimental, a modelagem da condutividade iônica-eletrônica do PEDOT foi realizada com base nos formalismos de Nernst-Planck-Poisson e Butler-Volmer, e os resultados da simulação foram ajustados aos dados experimentais. Na última etapa, o polímero condutor PEDOT foi usado como um contra elétrodo para fabricar DSSCs. As células foram caracterizadas por espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) e por curvas de corrente-tensão (J-V) e os resultados obtidos mostram que as DSSCs fabricadas, usando PEDOT como base apresentam uma eficiência de 8,1%, maior do que as células solares baseadas em platina de 6,3%.
  • This work aims to improve the components of the dye-sensitized solar cells (DSSCs) which are a type of photovoltaics that consist mainly of a photoanode, a counter electrode, a light sensitive molecule (sensitizer) and an electrolyte solution that regenerates the solar cell through a redox system. The improvement of the DSSC focuses on the material used for the counter electrode. Usually, it is made out from platinum sputtered on a conductive glass. However, platinum is an expensive metal that is hard to manipulate and can be corroded by the mediator. In this perspective, an alternative material for the expensive platinum is investigated which is the conductive polymer poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT). This polymer has a structure that promotes high ionic and electronic conductivities, and it can be doped with different anions (e.g. PSS, perchlorate). PEDOT was synthesized chemically and electrochemically. Its chemical structure was characterized by FTIR. The electrochemical behavior of PEDOT was assessed by cyclic voltammetry (CV). The catalytic activity of PEDOT towards the redox system proved to be higher than the activity of the platinum. In addition to the experimental approach, modelling of the ionic-electronic conductivity of PEDOT was performed based on the Nernst-Planck-Poisson and the Butler-Volmer formalisms, and the simulation outputs were fitted to the experimental data. In the last step, the conductive polymer PEDOT was used as a counter electrode to fabricate DSSCs. The cells were characterized through electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and through current-voltage (J-V) curves. The based PEDOT cells demonstrated an efficiency of 8.1%, which was higher than the based-platinum solar cells (6.3%).
  • Without funding, however I would not have the opportunity to accomplish this work. I gratefully acknowledge funding form the project “AIProcMat@N2020-Advanced Industrial Processes and Materials for a Sustainable Northern Region of Portugal 2020”, with the reference NORTE-01-0145-FEDER-000006, supported by “Norte Portugal Regional Operational Programa” (NORTE 2020), under the Portugal 2020 Partnership Agreement, through the European Regional Development Fund (ERDF) and of Project POCI-01-0145-FEDER-006984-Associate Laboratory LSRE-LCM funded by ERDF through COMPETE2020-Programa Operacional Competitividade e Internacionalização (POCI) and by national funds through FCT-Fundação para a Ciência e a Tecnologia.
  • يهدف هذا العمل إلى تحسين مكونات الخلايا الشمسية الصبغية (DSSCs) والتي تعد نوعًا من الخلايا الكهروضوئية ال ت ي تتكون أساسًا من مصعد )أنود(، مهبط )كتود(، صباغ حساس للضوء ومحلول إلكتروليتي لإعادة توليد الخلايا الشمسية من خلال نظام الأكسدة. يركز تحسين الخلايا على المواد المستخدمة في المهبط )كتود(، و الذ ي عادة ما يتم تصنيعه من البلاتين الموضوع على زجاج ناقل للكهرباء. يعد البلاتين معدنًا مكلفًا يصعب معالجته ويمكن تآكله بواسطة الإلكتروليت . لذا، تمت دراسة مادة بديلة للبلاتين باهظ الثمن وهي مبلمر موصل ) 4.3 -إيتيلين ديوكسي تيوفين( (PEDOT) . يحتوي هذا المبلمر على هيكل يعززبصفة عالية التوصيلات الأيونية والإلكترونية، ويمكن إشابته بأنيونات مختلفة . ت م تصنيع PEDOT كيميائيا وكهربائيا ث م تشخيصه بواسطة FTIR لمعرفة تركيبته الكيميائية. ت م تقييم السلوك الكهروكيميائي ل PEDOT بواسطة قياس الجهد الدوري . ت م إثبات أ ن النشاط التحفيزي ل PEDOT تجاه نظام الأكسدة أعلى من نشاط البلاتين. بالإضافة إلى المنهج التجريبي، ت م نمذجة التوصيلية الأيونية الإلكترونية ل PEDOT استنادًا على معادلات نرست-بلانك-بواسون وبتلر- فلمر، وت م مقارنة النتائج التجريبية بنتائج المحاكاة. أخيرا، ت م استخدام هذا المبلمر الموصل كمهبط )كتود( لتصنيع خلايا شمسية صبغية. ت م تقييم الخلايا من خلال مطيافية المعاوقة الكهروكيميائية (EIS) ومن خلال منحنيات التيار-توتر (J-V) . أظهرت الخلايا القائمة على PEDOT كفاءة 8.1 ٪، والتي كانت أعلى من الخلايا الشمسية القائمة على البلاتين ) 6.3 .)

publication date

  • July 2019