Fabrication of high efficiency dye sensitized solar cells using tailor made polymers

Abstract

Células solares sensibilizadas por corantes (DSSCs) são uma tecnologia fotovoltaica (PV) em desenvolvimento intensivo e uma das mais promissoras para aplicações de interior, especificamente para alimentar sensores internos sem fios e dispositivos relacionados com a internet das coisas (IoT), tendo entrado recentemente em comercialização. As DSSCs são baratas, esteticamente favoráveis e não tóxicos e exibem altas eficiências de conversão de energia (PCEs). A recombinação de eletrões, que ocorre principalmente entre a interface TiO2/eletrólito é o principal obstáculo para a obtenção de células com PCEs elevadas. O uso de supressores da recombinação de eletrões, como co-adsorventes, é a principal forma de obter uma maior PCE em DSSCs e tem sido amplamente utilizado. Os co-adsorventes utilizados são normalmente moléculas pequenas, sendo que o ácido quenodesoxicólico (CDCA) é o co-adsorvente mais amplamente usado em DSSCs, permitindo obter dispositivos com PCEs elevadas, na ordem dos 9 % em condições simuladas de iluminação solar. O uso de polímeros de cadeia longa como co-adsorventes, combinados com o corante de referência N719 está pouco descrito. Porém, este sistema mostrou uma supressão da recombinação de eletrões eficaz que se traduziu na obtenção de PCE em torno de 5 – 7 %; a PCE aumentou em relação aos dispositivos cujo fotoânodos não forem passivados com o co-adsorvente polimérico.Deste modo, o objetivo deste trabalho é a passivação eficaz da superfície de TiO2 com polímeros feitos à medida, de modo a suprimir a recombinação de eletrões e melhorar significativamente a PCE das DSSCs. A polimerização reversível por adição-fragmentação de cadeia (RAFT) é uma técnica de RDRP versátil e robusta, sendo considerada uma excelente técnica de RDRP para a síntese de polímeros para aplicação como co-adsorventes em DSSCs, uma vez que permite a obtenção de polímeros bem definidos, com peso molecular (MW) preciso, baixa dispersividade, bem como o controlo da composição, estrutura, funcionalidade e topologia do polímero. Assim, neste trabalho, foram sintetizados por polimerização RAFT alguns polímeros, com diferentes comprimentos de cadeia, composição e estruturas e aplicados como co-adsorventes em DSSCs.O primeiro estudo envolveu a polimerização de 4-vinilpiridina para obtenção de vários homopolímeros de poli(4-vinilpiridina) (P4VP) numa gama de MW de 2.8 a 18.5k g mol-1, bem comportamento dos polímeros como novos co-adsorventes juntamente com o corante N719 para produzir DSSCs mais eficientes. P4VP também suprime a recombinação eletrónica entre os eletrões existentes na banda de condução de TiO2 do fotoânodo e a espécie redox do eletrólito que se encontra oxidada. Pela primeira vez, um co-adsorvente polimérico de P4VP originou um dispositivo com um valor de PCE de 9 % sob iluminação de 1 Sol e 22,5 % sob luz com intensidade de 1000 lx, sendo assim considerado um co-adsorvente de alto desempenho; P4VP permitiu a produção de dispositivos estáveis.O trabalho continuou com o estudo de poli(ácido 4-vinilbenzóico) (PVBA) e P4VP como co-adsorventes com comprimento de cadeia semelhantes. Esses polímeros diferem no seu grupo de ancoragem, um grupo de ancoragem carboxílico e um grupo de ancoragem piridina para PVBA e P4VP, respetivamente. Ambos os polímeros suprimem a recombinação de eletrões o que deu origem a dispositivos com PCEs de 8,3 % e 9 % sob 1-Sol, e 17,5 % e 22 % sob luz artificial para PVBA e P4VP, respetivamente. Os dispositivos com fotoânodos passivados com PVBA forneceram dispositivos estáveis durante 1000 h de iluminação contínua, em contraste com os dispositivos com P4VP que apresentaram problemas de estabilidade devido possivelmente à fraca ligação do grupo de ancoragem da piridina ao fotoânodo.Copolímeros em bloco de P4VP e poliestireno (PSt) com diferentes quantidades de PSt (P4VP67-b-PStx (x = 23;61)) foram desenvolvidos para solucionar problemas de estabilidade. Pela primeira vez, foram usados copolímeros em bloco como co-adsorventes em DSSCS Os copolímeros usados promovem a ancoragem do corante ao TiO2 e suprimem eficientemente a recombinação eletrónica. Foi possível obter dispositivos com PCEs de 10,1%, 10,0% e 9,8% sob iluminação de 1-Sol e PCEs de 18,0%, 19,4% e 16,4% sob luz artificial com intensidade de 1000 lx utilizando P4VP, P4VP67-b-PSt23 e P4VP67-b-PSt61, respetivamente. Copolímeros em bloco de P4VP-b-PSt mostraram-se promissores para a obtenção de DSSCs eficientes e estáveis.

Dye-sensitized solar cells (DSSCs) are an intensively researched photovoltaic (PV) technology very promising for indoor applications, especially for powering wireless indoor sensors and the Internet of Things (IoT) devices, that have recently entered the market. DSSCs are cheap, aesthetic pleasing, non-toxic, and have high power conversion efficiencies (PCEs). Electron recombination which occurs mainly between the TiO2/electrolyte interface is the main obstacle to high PCE. The use of electron recombination suppressors, as co-adsorbents, is the principal approach to achieve higher PCE of DSSCs and has been used extensively. The co-adsorbents used are usually small molecules and the most used co-adsorbent is chenodeoxycholic acid (CDCA), which can be used to obtain devices with the highest PCE of about 9 % under 1-Sun illumination. The use of polymers as long-chain co-adsorbents combined with the reference dye N719 has been poorly reported. These polymers showed effective suppression of electron recombination, originating devices displaying a PCE of 5 – 7 %; the PCE value is higher compared to devices without this polymeric co-adsorbent passivation. The aim of this work is to effectively passivate the TiO2 surface with tailor-made polymers to suppress electron recombination and significantly improve the PCE of DSSCs. The reversible addition−fragmentation chain-transfer (RAFT) polymerization is a versatile and robust RDRP technique and is considered an excellent RDRP technique for synthesized polymers to be used as co-adsorbents in DSSCs as it allows obtaining well-defined polymers with the required molecular weight (MW), low dispersity and controlled composition, structure, functionality, and topology. Therefore, in this work, some controlled polymers with different chain lengths, compositions, and structures were synthesized by RAFT polymerization and used as co-adsorbents in DSSCs.The first study performed involved the polymerization of 4-vinylpyridine to obtain several poly(4-vinylpyridine) (P4VP) homopolymers in a MW range from 2.8 to 18.5 kg mol-1 and the study of these polymers as a new co-adsorbents with dye N719, to produce efficient DSSCs. P4VP suppresses electron recombination between the electron in the TiO2 conduction band (CB) of the photoanode and the oxidized redox species of the electrolyte. For the first time, a polymeric P4VP co-adsorbent was used to produce a device with a high PCE value of 9 % under 1 Sun illumination and 22.5 % under an indoor illumination of 1000 lx, which makes it a high-performance co-adsorbent; P4VP originates also stable devices. P4VP originates also stable devices.The work continued with the study of poly(4-vinylbenzoic acid) (PVBA) and P4VP as co-adsorbents with similar chain lengths. These polymers differ in their anchoring group, a carboxylic anchoring group, and a pyridine anchoring group for PVBA and P4VP, respectively. Both polymers suppress electron recombination resulting in devices with PCEs of 8.3 % and 9 % under 1-Sun, and 17.5 % and 22 % under artificial light for PVBA and P4VP, respectively. Devices with photoanodes passivated with PVBA provided stable devices under 1000 h of continuous light due to their carboxylic group on the carbon-carbon chain in contrast with P4VP devices which showed stability issues due to the poor binding of the pyridine anchoring group to the photoanode.Block copolymers of P4VP and polystyrene (PSt) with different amounts of PSt (P4VP67-b-PStx (x = 23;61)) were synthesized to address this stability challenges. Block copolymers were used as co-adsorbents in DSSCS for the first time. The copolymers used as co-adsorbents promote the strong anchoring of the dye to TiO2 and effectively suppress electron recombination. Devices with PCEs values of 10.1 %, 10.0 %, and 9.8 % under 1-Sun, and PCEs values of 18.0 %, 19.4 %, and 16.4 % under the artificial light of 1000 lx using P4VP, P4VP67-b-PSt23, and P4VP67-b-PSt61, respectively, were obtained.Block copolymers of P4VP-b-PSt showed promise in obtaining efficient and stable DSSC devices.