Characterization of novel hierarchical TiO2 photoanode for solid state dye sensitized solar cells

During the last decade, dye sensitized solar cells (DSSC) have attracted much attention. Liquid conventional DSSC suffer from instability problems due to electrolyte leakage. With the aim to have solid-state devices, the electrolyte can be substituted with a solid organic hole transporter material (HTM). SS-DSSC’s conversion efficiency is still much lower due to insufficient HTM polymer infiltration within the TiO2 photoanode. Reducing the thickness of the photoanode could improve infiltration, but it reduces the light harvesting efficiency. Therefore, developing new photoanodes with better light harvesting ability is inevitable. In this thesis I investigated the potential of a novel hierarchical nanostructured TiO2 photoanode deposited by Pulsed Laser Deposition for SS-DSSC. In all characterizations, a conventional nanoparticle paste has been used as a reference. The morphological characterization has been done by Scanning Electron Microscopy and showed the possibility to achieve different morphologies by tuning the deposition background gas pressure. BET measurements show an increase in specific surface area and average pore diameter by increasing the pressure, in agreement with SEM images, nevertheless surface area is higher for nanoparticle film compared to samples deposited at 15 Pa and lower. Also the effect of annealing on the morphology was investigated. Optical characterization, by UV/Vis spectroscopy shows that the PLD samples have larger haze factor compared to nanoparticle sample with the largest for the 7 Pa sample. Better light absorption for PLD samples after sensitization, even though they have a lower roughness factor, proves the effectiveness of increasing the haze factor, for instance absorption increases by 50% in the visible range for PLD sample deposited at 7 Pa compared to nanoparticle sample. Finally, SS-DSSC fabricated from PLD sample deposited at 7 Pa showed higher conversion efficiency compared to paste nanoparticle sample (2.87% against 1.54%). This improvement can be mainly because of higher light absorption. related to better light harvesting and better polymer infiltration.

Negli ultimi dieci anni le dye sensitized solar cells (DSSC) sono state oggetto di ricerca intensiva. L’elettrolita liquido generalmente usato nelle DSSC tradizionali può essere sostituito da un materiale solido organico per il trasporto di buche. L’efficienza delle DSSC a stato solido (ss-DSSC) tuttavia è ancora molto inferiore alle celle tradizionali, a causa di una scarsa infiltrazione del polimero all’interno della struttura mesoporosa del fotoanodo di TiO¬2. La riduzione dello spessore del fotoanodo potrebbe migliorare l’infiltrazione, riducendo però l’efficienza di assorbimento della luce. È dunque fondamentale lo sviluppo di fotoanodi con migliori proprietà di assorbimento della luce. In questa tesi sono state studiate le proprietà di una nuova architettura gerarchica di TiO¬2 depositata mediante pulsed laser deposition (PLD) per la fabbricazione di fotoanodi per ss-DSSC. In tutte le caratterizzazioni, una pasta di nanoparticelle di TiO2 è stata utilizzata come campione di riferimento. Variando la pressione del gas di deposizione, si possono ottenere diverse morfologie del deposito, come mostrato tramite microscopia a scansione elettronica, con un incremento dell'area specifica e della dimensione dei pori del TiO2 all'aumento della pressione (misure BET). L’area superficiale rimane tuttavia minore rispetto al film di nanoparticelle. E’ stato poi studiato l’effetto dell’ annealing termico sul fotoanodo. La caratterizzazione ottica mediante spettroscopia UV/Vis dimostra che i campioni PLD presentano fattori di haze (diffusione) superiori rispetto a quelli fabbricati con la pasta di nanoparticelle, con un valore di haze massimo per il film fabbricato a 7 Pa. Il maggiore assorbimento della luce dimostrato dai campioni PLD, seppur corrispondente ad un roughness factor inferiore, è in accordo con il maggiore fattore di haze. Infine, le ss-DSSC fabbricate mediante PLD a 7 Pa hanno mostrato di avere un’efficienza di conversione energetica maggiore rispetto alle ss-DSSC standard (2.87% contro 1.54%). Questo incremento può essere correlato ad una migliore raccolta della luce e ad una migliore infiltrazione del polimero.