Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Copper-based Redox Systems for Dye-sensitized Solar Celles
KTH, School of Chemical Science and Engineering (CHE).
2017 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Kopparbaserade redoxsystem för färgämnessensiterade solceller (Swedish)
Abstract [en]

In order to take on the challenge of the world energy issues, there is a necessity to identify alternative energy sources to the fossil fuels. The sun represents the most abundant source of energy, and one way to harvest it is by photovoltaic devices directly converting sunlight into electricity. Among all photovoltaic devices, the dye-sensitized solar cells have attracted much interest because of the potential to be commercialized thanks to the cheap materials and the low-cost production processes. However, there are still issues to overcome, mainly related to the stability of the devices relating to the electrolyte components.

In this project, a new type of electrolyte systems based on copper complex redox couples were synthetized and applied to DSSCs. Different monodentate ligands were investigated, in particular 2-mpy, 3-mpy and 4-mpy were coordinated by the copper metal centre. Several experimental techniques were used to characterized the products of synthesis, such as 1H NMR spectroscopy, mass spectrometry, powder X-ray diffraction and elemental analysis. The electrolyte properties were studied by UV-Vis spectrophotometry and cyclic voltammetry. The performance of the resulting solar cells was investigated by photocurrent density/photovoltage and incident photon-to-current conversion efficiency measurements and the recombination loss processes were studied by impedance spectroscopy and electron lifetime determinations.

The redox couples based on 2-mpy and 3-mpy as ligands gave DSSC devices with very high open-circuit voltage up to 0.94 V and overall conversion efficiency up to 9.1% at 1 sun illumination. This is one of the highest conversion efficiencies recorded for copper based DSSC electrolytes and much higher than the solar cells containing the reference [Co(bpy)3]2+/3+ redox system.

The high photo voltage, was attributed to the large resistance to  electron  recombination losses, which lead to a higher charge in the conduction band of the TiO2 moving it to more negative energies. This was also confirmed by the longer electron lifetime in the presence of the copper redox couples than the reference cobalt one.

The TBP Lewis base additive was replaced by the methylpyridine ligands to mitigate ligand exchange problems. The replacement was successful using 3-mpy as additive as well as ligand to the copper ions.

In continuation of this work, the other components of the device and the assembly process should be optimized. Moreover, single crystals of the copper systems should be grown to determine the exact structure and thus offer a better understanding of the processes that might take place in the device.

An interesting project would be to try a one-pot electrolyte formulation, i.e. where all the reactants, solvent and additives are mixed and directly injected into the device. This is a good strategy to avoid the pre-syntheses and all the problems related to those.

Abstract [sv]

För att kunna ta sig an utmaningen med världens energiförsörjning, så måste alternativa energikällor till fossila bränslen identifieras. Ljus från solen utgör den mest tillgängliga källan till energi, och ett sätt att direkt omvandla denna energi till elektricitet är genom solceller. Bland olika typer av solceller, så har färgämnessensiterade solceller (DSSC) fått mycket uppmärksamhet pga deras kommersialiseringspotential med utgångspunkt i låg tillverkningskostnad. Det finns dock utmaningar som måste hanteras, huvudsakligen rörande stabilitet ssk avseende cellernas elektrolyt.

Det här projektet omfattar studier av elektrolyter baserade på kopparkomplex som redoxsystem för DSSC. Särskilt kopparkomplex baserade på monodentata ligander, såsom 2- mpy, 3-mpy och 4-mpy, har studerats. Karaktärisering har baserats på flera olika tekniker, såsom 1H-NMR-spektroskopi, masspektrometri, pulverdiffraktion och elementaranalys. Elektroyuternas egenskaper har studerats genom UV-Vis-spektrofotometri och cyklisk voltametri. De resulterande solcellernas prestanda har undersökts genom fotoström/forospänningsstudier   och   IPCE-spektroskopi, samt rekombinationsförluster har kartlagts genom impedansspektroskopi och bestämning av fotoelektronernas livslängd.

Redoxsystem baserade på 2-mpy och 3-mpy som ligander gav solceller som uppvisade mycket höga fotospänningar upp till 0,94 V och omvandlingseffektiviteter upp till 9,1% vis 1 sols bestrålning. Dessa prestanda är bland de högst uppmätta för DSSC baserade på kopparinnehållande elektrolyter och betydligt bättre än för referenssystem baserade på elektrolyter med [Co(bpy)3]2+/3+  som redoxpar.

De höga fotospänningar som uppmätts tillskrivs en hög resistens mot rekombinationsförluster, vilket leder till högre laddning i ledningsbandet för TiO2 som i sin tur ger mer negativa energinivåer. Detta stöds även av de längre elektronlivslängder som uppmätts för system med kopparbaserade redoxsystem.

Lewis-basen TBP, en vanlig additive till DSSC-elektrolyter, ersattes I dessa system med metylpyridinliganderna för att motverka problem med ligandutbyte. Detta utbyte var mest framgångsrikt för 3-mpy som additiv och samtidig ligand till kopparjonerna.

Framtida studier bör omfatta en optimering av komponenter och konstruktion av DSSC baserade på kopparsystemen. Enkristaller av kopparsystemen bör syntetiseras för detaljerad strukturbestämning och därmed en bättre insikt i processer som sker i elektrolytsystemen.

En intressant utveckling av projektet omfatta s k 'one-pot'-formulering av elektrolyter, där alla reaktander, lösningsmedel och additiver blandas och direkt injiceras i solcellen. Detta utgör en god startegi för att undvika för-synteser och alla problem relaterade till dessa.

Place, publisher, year, edition, pages
2017.
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-216402OAI: oai:DiVA.org:kth-216402DiVA, id: diva2:1172532
Available from: 2018-01-10 Created: 2018-01-10 Last updated: 2018-01-10Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(4255 kB)17 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 4255 kBChecksum SHA-512
be3578708b3bb1b4a736af69c2ccf2d257d481a41b6f37dfc875e6812101c0439614029c04acb33baf00c37c68800a3a94ec996c258d177a886d73d25c929781
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
School of Chemical Science and Engineering (CHE)
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 17 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 71 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf