Structural properties of titanium dioxide films for dye-sensitized solar cells

The evolving generations of photovoltaics for a generally cheaper and environmentally-friendly, but equally efficient source of energy has led to the concept of dye-sensitized solar cells (DSSC). The cell architecture includes a sensitizing dye adsorbed onto a porous film of crystalline titanium dioxide (TiO2) nanoparticles and surrounded by a redox electrolyte, which is sandwiched between two fluorine-doped tin oxide (FTO) glass electrodes. The conversion from photons to an electronic current begins with the absorption of photons at the dye, followed by the excitation and injection of electrons into the conduction band of the TiO2 photoanode. Electrons are then transported to the FTO-coated glass substrate via diffusion and are extracted to an external load, while reduction of the dye and electrolyte are imposed by the reintroduction of electrons at the platinum-coated counter electrode. Since each process must work efficiently to contribute to the whole cell, it is first imperative to optimize them individually. Particularly, the structural properties of TiO2 directly impact the electron transport in the photoanode and can be modified through the deposition technique and post-deposition treatment. In this study, TiO2 was deposited via pulsed-laser deposition (PLD) as an amorphous film and was later crystallized through post-deposition annealing. The latter was important since changes in the annealing temperature and time altered the crystallinity, crystal phase, size, and morphology of TiO2. Annealing temperatures were varied from 400 to 600 °C at 120 minutes and annealing times 1 to 120 minutes at 500 °C. The films were characterized with Raman, XRD, SEM and chromatographic analysis of roughness factor. Results showed larger particles, transition from anatase to rutile, as well as rod-like, hyperbranched structures with increasing annealing temperature and time. The decrease of roughness factor, the active surface area in which dye molecules can be adsorbed, was also exhibited at higher temperatures and times. Lastly, XRD peak intensity ratios for anatase [004] to [101] were found to be substantially higher in these samples than in powder: implying preferential growth for anatase [004]. Further studies must be done to see how structural properties of TiO2 affect electron transport in the photoanode, and cell efficiency through the fabrication of cells.

Il continuo evolversi del settore fotovoltaico verso fonti di Energia sostenibili ed efficienty hanno portato all’ideazione delle celle solari a colorante. Tipicamente l’architettura della cella comprende un colorante chemisorbito su un film sottile poroso di nanoparticelle di biossido di titanio (TiO2) cristallino immerso in un elettrolita a base iodio, il tutto viene poi racchiuso tra due vetri resi conduttivi da del ossido di stagno drogato fluoro (FTO). Il colorante assorbe fotoni i quali eccitano i suoi elettroni e li ignetta nella banda di conduzione del TiO2, gli elettroni sono poi trasportati per diffusione verso il vetro FTO per essere infine estratti da un carico esterno. Il colorante vieneridotto dall’elettrolita grazie alla reintroduzione del elettrone fotogenerato da un controelettrodo decorato con particelle di platino (catalizzatore). Poichè ogni componente e il processo da lei svolto deve essere efficiente e imperativo comprendere il loro funzionamento e come ottimizzarli. In particolare le proprietà strutturali del TiO2, che influenzano direttamente il trasporto degli elettroni nel fotoanode, possono essere modificate attraverso diverse tecniche di deposizione e successivi trattamenti. In questo lavoro di tesi, il TiO2 è stato depositato per mezzo di deposizione per laser impulsato (PLD) sotto forma amorfa per poi essere cristallizzato attraverso trattamenti termici. Quest ultimi sono di particolare importanza perchè cambiando tempo e temperatura del trattemento è possibile influenzare della dimensione dei domini cristallini, fase allotrpica e morfologia. I depositi sono stati trattati con temperature tra i 400 e i 600°C per 120 minuti e a 500°C per tempi tra 1 e 120 minuti. I film sono stati caratterizzati con Raman, XRD, SEM e analisi cromatografica per misure di aree superficiali. I risultati mostrano che all’aumentare della temperatura e del tempo di trattamento termico aumenta la dimensione dei domini cristallini, avviene una transizione anatase-rutilo e si crea una struttura hyperbranched. L’aumento del volume dei singoli cristalli risulta in una diminuzione del superficie real su cui il colorante può essere chemisorbito. Infine un aumento del rapporto dei picchi XRD dell’anatase [004]/[101] è stato osservato rispetto a materiali porosi standard comprovando una crescita preferenziale lungo l’asse [004]. Studi più approfonditi dovranno essere effettuati per capire come le proprietà strutturali della TiO2 possono influenzare il trasporto elettronico e l’efficienza di conversione energetica.