Στη παρούσα διπλωματική εργασία, μελετήθηκαν ευαισθητοποιημένες ηλεκτροχημικές ηλιακές κυψελίδες. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη βελτιστοποίηση κύριων χαρακτηριστικών των κυψελίδων αυτών, όπως είναι η απόδοση και ο χρόνος ζωής των ηλεκτρονίων. Για το σκοπό αυτό, παρασκευάστηκαν ηλεκτροχημικές κυψελίδες οι οποίες περιείχαν λεπτά υμένια ημιαγωγού TiO2. Δοκιμάστηκαν διαφορετικά υλικά κατά τη σύνθεση της πάστας TiO2 (ΗNO3, CH3COCH2COCH3, H3PO4) καθώς και διαφορετικοί τρόποι παρασκευής των υμενίων αυτών (doctor blade, spin coating), με στόχο πάντα την επίτευξη υψηλότερης απόδοσης. Έγινε σύγκριση των αποτελεσμάτων έτσι ώστε να προσδιοριστούν οι διάφοροι παράγοντες στους οποίους οφείλονται τα προβλήματα στη λειτουργία των κυψελίδων αυτών. Για την ευαισθητοποίηση των παραπάνω υμενίων δοκιμάστηκε η χρωστική ρουθηνίου Ν3. Επίσης, στο αρχικό στάδιο των πειραμάτων, τα υμένια TiO2 των κυψελίδων χαρακτηρίστηκαν και ως προς τη μεταβατική φωτοαγωγιμότητά τους για μια επιπλέον ένδειξη της συμπεριφοράς τους στο κενό και στον αέρα. Η μέτρηση της μεταβατικής φωτοαγωγιμότητας έγινε, επίσης, και σε διαφορετικά πάχη υμενίων με στόχο τον καθορισμό του βέλτιστου πάχους. Δείγματα που περιείχαν HNO3 διαπιστώθηκε πως είχαν υψηλότερη απόδοση εν αντιθέσει με δείγματα που περιείχαν H3PO4 τα οποία είχαν χαμηλότερη απόδοση. Ο χρόνος ζωής ενός ηλεκτρονίου φαίνεται να διατηρείται σε υψηλά επίπεδα σε δείγματα που περιείχαν ΗΝΟ3, εν αντιθέσει με άλλα δείγματα στα οποία ο χρόνος ζωής είτε είχε ραγδαία μείωση εξαρχής (Η3PO4), ή είχε ασυνήθιστη μείωση και αύξηση στη δεύτερη και τρίτη μέτρηση (CH3COCH2COCH3). Η προσθήκη CH3COCH2COCH3 στην παρασκευή των υμενίων είχε ως αποτέλεσμα υμένια με υψηλότερη μεταβατική φωτοαγωγιμότητα τόσο στο κενό, όσο και στον αέρα, όμως, χωρίς ιδιαίτερη σταθερότητα. Αντίθετα, η προσθήκη HNO3 παρουσίασε ομαλότερη συμπεριφορά και σαφώς υψηλότερη μεταβατική φωτοαγωγιμότητα στα υμένια σε σύγκριση με υμένια που περιείχαν H3PO4, τα οποία ίσως και λόγω υψηλής ηλεκτραρνητικότητας της φωσφορικής ρίζας σε σύγκριση με αυτή της νιτρικής ρίζας, φάνηκαν ιδιαιτέρως ασθενή. Τα δείγματα παρουσίαζαν μείωση της απόδοσης σε συνάρτηση με το χρόνο. Επιπλέον, το γενικό συμπέρασμα για το πάχος ήταν πως πρέπει να κυμαίνεται γύρω στα 10μm για την αποδοτικότερη λειτουργία μιας ηλεκτροχημικής κυψελίδας. Το υμένιο τέτοιων κυψελίδων αποδείχτηκε πως έχει τη βέλτιστη μεταβατική φωτοαγωγιμότητα στο κενό και στον αέρα, επίσης. Επιπρόσθετα, η σύνδεση των ηλεκτροδίων ομοεπίπεδα (coplanar) σε σχέση με τη την σύνδεση τους ως σάντουιτς δίνει καλύτερα αποτελέσματα και μάλιστα με διαφορά μεγέθους τεσσάρων τάξεων, όσον αφορά τη μεταβατική φωτοαγωγιμότητα τόσο στο κενό, όσο και στον αέρα. Τέλος, η μέθοδος εναπόθεσης spin-coating ενδείκνυται για τα συγκεκριμένα πειράματα, λόγω επίτευξης υμενίων ιδιαιτέρως ομοιόμορφων και με επαναληψιμότητα. Λόγω επίτευξης μικρού πάχους υμενίων, ενδείκνυνται οι πολλαπλές επιστρώσεις για μεγαλύτερο πάχος των υμενίων. Συνίσταται, επίσης, εναλλακτικά είτε πυκνότερη πάστα, είτε λιγότερα δευτερόλεπτα περιστροφής, ή συνδυασμός αυτών των δύο παραμέτρων. Αντιθέτως, η μέθοδος doctor blade οδήγησε σε υμένια που δεν ήταν τόσο ομοιόμορφα και αυτό το γεγονός είχε αντίκτυπο και στη λειτουργία της κυψελίδας. / In the present thesis, dye-sensitized solar cells were studied. Particular emphasis was placed on optimizing the main characteristics of these cells, such as the efficiency and the lifetime of electrons. For this purpose, dye-sensitized solar cells were prepared containing thin films of semiconductor TiO2. Different materials were tested during the composition of the paste TiO2 (ΗNO3, CH3COCH2COCH3, H3PO4) as well as different ways of preparation of these films (doctor blade, spin coating), always aiming to achieve higher performance. Also, the results compared in order to identify individual factors behind the problems in the functioning of these cells. For the sensitization of these films, the ruthenium dye N3 was tested. Also, at the initial stage of the experiments, the TiO2 films of the cells were characterized in terms of their transient photoconductivity for an additional indication of the behavior in vacuum and in air. The measurement of the transient photoconductivity was taken place also at different film thicknesses in order to determine the optimal thickness. Samples containing HNO3 found to have higher performance unlike samples containing H3PO4 which had a lower performance. The lifetime of an electron appears to persist at high levels in samples containing HNO3, in contrast with other samples in which the lifetime was either rapidly reducing from the beginning (H3PO4), or had unusual decrease and increase in the second and third measurement (CH3COCH2COCH3). Adding CH3COCH2COCH3 in the preparation of the films had as a result films with higher transient photoconductivity both in vacuum and in air, but without particular stability. In contrast, the addition of HNO3 showed smoother behavior and clearly higher transient photoconductivity in films in comparison with films containing H3PO4, which perhaps due to the high electronegativity of phosphate in comparison with that of the nitrate anions, seemed particularly weak. The samples showed a reduction as a function of the time. Moreover, the overall conclusion for the thickness was that it should range around 10μm in order to achieve the most efficient operation of an electrochemical cell. It has proved that the film of such cells has the most optimum transient photoconductivity in vacuum and in air, too. Additionally, the coplanar way of connecting electrodes in relation with the “sandwich” way of connecting electrodes gives better results, with difference of four grades size concerning the transient photoconductivity both in vacuum and in air. Finally, the method of spin-coating deposition is indicated for these experiments, achieving films particularly uniform and highly reproducible. Since films are thin, multiple coatings are appropriate for thicker films. Also, it is recommended, alternatively, either denser paste or fewer seconds of rotation, or a combination of these two parameters. In contrast, doctor blade method leaded to films that are not uniform at all and this fact had an impact on the function of the cell.

Στην παρούσα ειδική ερευνητική εργασία μελετήθηκε η αγωγιμότητα σκότους και η μεταβατική φωτοαγωγιμότητα στο κενό και στον αέρα δειγμάτων υπό μορφή δισκίων συμπιεσμένης σκόνης διοξειδίου του τιτανίου (με την εμπορική ονομασία Evonik-Degussa (P25)) και δειγμάτων UP25 που προέκυψαν μετά από ανάμιξη σκόνης P25 και ουρίας (urea NH2CONH2) σε αναλογία βάρους 1:1, και τα οποία ψήθηκαν για 1 ώρα στους 450oC. Κατά το ψήσιμο καίγεται η ουρία και τροποποιεί την επιφάνεια του TiO2. Η αγωγιμότητα σκότους του δείγματος UP25 είναι μεγαλύτερη στο κενό από την αντίστοιχη του P25, γεγονός που αποδίδεται στην παρουσία της ουρίας, η οποία εισάγει κενές θέσεις οξυγόνου που δρουν σαν δότες ηλεκτρονίων. Στον αέρα η αγωγιμότητα σκότους του δείγματος UP25 είναι μικρότερη από την αντίστοιχη του P25 και αυτό οφείλεται στην προσρόφηση μορίων οξυγόνου στην επιφάνεια του TiO2, τα οποία δεσμεύουν ηλεκτρόνια και στην παρουσία αζώτου (από την ουρία), το οποίο εμποδίζει την προσρόφηση υγρασίας. Η φωτοαγωγιμότητα στο κενό φθάνει σε υψηλές τιμές και στα δυο δείγματα και εμφανίζεται ιδιαίτερα ευαίσθητη στο περιβάλλον. Η μεταβατική φωτοαγωγιμότητα αυξάνει με αργό ρυθμό στο κενό, φθάνοντας στον κόρο μετά από ημέρες και είναι σημαντικά μεγαλύτερη από αυτήν στον αέρα. Η «αύξηση» και η «μείωση» της φωτοαγωγιμότητας στον αέρα είναι πιο γρήγορη από την αντίστοιχη στο κενό και στα δυο δείγματα λόγω επανασύνδεσης. Στον αέρα η διαδικασία της επανασύνδεσης είναι ιδιαίτερα έντονη στο δείγμα UP25, καθώς η παρουσία του αζώτου μειώνει δραματικά την φωτοαγωγιμότητα λόγω της δημιουργίας μεγάλου αριθμού κέντρων επανασύνδεσης. / In the present master thesis, dark conductivity and transient photoconductivity in vacuum and in air were studied in samples of titania powder P25, which is a commercial product of Evonik-Degussa, and of UP25, prepared by mixing P25 and urea (NH2CONH2) powders in 1:1 weight ratio and consequent calcinations at 450 oC for 1 hour, in the form of pellet. The dark conductivity of UP25 is greater in vacuum than the corresponding one of P25 and this effect is attributed to urea’s presence, which introduces oxygen vacancies, that behave like electron donors. The dark conductivity in air of UP25 is lower than the corresponding one of P25, which is attributed to oxygen molecules adsorption on TiO2’s surface, which act as electron scavenger and nitrogen’s presence (by urea), which prevents water’s absorption. Photoconductivity in vacuum reaches very high values in both samples and is sensitive on the environment. Transient photoconductivity rises slowly in vacuum, saturating in days, and is much larger than that in air. The rise and the decay of the photoconductivity in air are faster than in vacuum for both samples, due to recombination. In air, the recombination process is significant mainly in sample UP25 since the nitrogen presence creates a large amount of recombination centers causing an important decrease of photoconductivity.