Investigation of nanocomposite electrodes for dye-sensitized solar cells

Orientador: Prof. Dr. Prof. Dr. Sydney Ferreira Santos Coorientador: Prof. Dr. Everaldo Carlos Venancio Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Nanociências e Materiais Avançados, Santo André, 2020. A fabricação de eletrodos eficientes e de baixo-custo é um tópico bastante visado para o desenvolvimento de avançadas células sensibilidade por corantes (DSSC). Na primeira parte desta tese, contra-eletrodos (CEs) à base nanocompósitos polianilina/óxido de grafeno (PANI-GO) dispersáveis em água foram desenvolvidos. Este CE pode ser diretamente preparado por deposição do nanocompósito sobre substratos de FTO. As dispersões aquosas de PANI-GO foram preparadas por duas diferentes rotas: mistura física de PANI e GO, e polimerização in-situ da anilina na presença de dispersões aquosas de GO. DSSCs com CEs à base de PANI-ES geraram densidade de corrente (Jsc) de 12.34 mA/cm² e eficiência de conversão de energia (PCE) de 5.18% o qual é comparável ao dispositivo preparado com CE à base de platina (PCE de 5.24%). A adição de GO resultou em aumento de Jsc para 13.04 mA/cm² e FF de 68% em CEs contendo 0.45 wt% de GO (em relação a massa de anilina durante a síntese) promovendo uma otimização de PCE para 6.21%, consistindo em um aumento de 20% em relação ao CE-Pt. A investigação das propriedades espectroscópicas e morfológicas mostra que os nanocompósitos PANI-GO preparados por rota in-situ possuem uma protonação e estados de oxidação diferentes quando comparados às amostras preparadas pela rota de mistura física. Estes resultados mostram a importância do papel do GO em otimizar as propriedades químicas e físicas da PANI além de fornecer uma eficiente e simples metodologia para a síntese de novos CEs para DSSCs. Na segunda parte desta tese, um método simples e de alta reprodutibilidade foi realizado para preparar foto ânodos por meio da adição de Ti3C2Tx MXenes em pasta nanoparticulada de TiO2. A incorporação de apenas 0.075 wt% de nanoestruturas 2D de MXenes (em relação à massa de TiO2) resultou em um aumento de Jsc de 10.25 mA/cm² (puro foto ânodo) para 12.66 mA/cm² otimizando a PCE de 5.22% para 6.17% (um aumento de PCE de 18% para a DSSC). Estes resultados indicam que os MXenes funcionam como um eficiente atalho para os elétrons foto gerados no corante percorrerem através da estrutura mesoporosa do foto ânodo reduzindo os riscos de sua recombinação. The fabrication of efficient and low-cost electrodes is a highlighted topic for the development of advanced dye-sensitized solar cells (DSSCs). In the first part of this thesis, water-dispersible polyaniline/graphene oxide (PANI-GO)-based counter-electrodes (CEs) were developed. These CEs were straightforwardly prepared by deposition of the nanocomposite dispersion onto FTO substrate. The aqueous dispersions of PANI-GO nanocomposites were prepared by two different routes: simple physical mixture of PANI and GO, and in-situ polymerization of aniline in GO aqueous dispersion. DSSC assembled with emeraldine salt polyaniline (PANI-ES)-based CE generated current density (Jsc) of 12.34 mA/cm² and power conversion efficiency (PCE) of 5.18%, which is comparable to the device prepared with Pt-based CE (PCE of 5.24%). The addition of GO is found to increase the Jsc to 13.04 mA/cm² and the fill factor to 68% in CE containing 0.45 wt% of GO (in respect to aniline during synthesis) where the PCE is boosted to 6.21%, which is about 20% higher than Pt-based CE. The investigation of both morphological features and spectroscopic properties showed that PANI-GO nanocomposites prepared by in-situ route have dissimilar protonation and oxidation states when compared with those prepared by physical mixture route. These results give insights into the role of GO in tuning PANI chemical and physical properties in addition to provide a simpler and more efficient methodology for the synthesis of new CEs for DSSCs. In the second part of the Thesis, a simple and scalable methodology was carried out to prepare photoanode by the addition of Ti3C2Tx MXenes into the TiO2 nanoparticulate paste. The incorporation of only 0.075 wt% of the MXene 2D compound (with respect to the TiO2) resulted in an increase of Jsc from 10.25 mA/cm² (bare photoanode) to 12.66 mA/cm² and boosted the PCE from 5.22% to 6.17% (an improvement of about 18% of DSSC PCE). These results indicate that MXene nanostructures work as an efficient pathway for photogenerated electrons from the dye through the mesoporous structured photoanode.