Vertically-aligned ZnO Nanostructures for excitonic Solar Cells

Abstract

L’energia solar transforma la llum del Sol en electricitat i és una de les energies renovables més encoratjadores: no produeix CO2 i és una energía de baix cost alternativa a les fonts fòssils. Entre els diferents dispositius fotovoltaics, els de tercera generació, excitonic solar cells (XSCs), entre els quals inclouen: orgànic, híbrid i dye-sensitized solar cells, són prometedors per aconseguir els tres principals criteris per la seva comercialització: alta eficiencia, baix cost i la possibilitat de ser fabricats amb mètodes simples i escalables. L’aplicació de ZnO en XSCs s’ha incrementat en els últims anys degut a les seves similaritats amb l’ òxid semiconductor més utilitzat i estudiat, el TiO2. El ZnO presenta un valor de band gap i la banda de conducció similars i també és més alta la mobilitat dels electrons comparat amb el TiO2. Es pot sintetitzar de moltes formes diferents amb tècniques senzilles i escalables. I en concret, l’aplicació de nanoestructures verticals de ZnO s’ha estudiat per millorar el contacte entre els materials donador i acceptor d’electrons en cel·les solar orgàniques (OSCs), o millorar la injecció d’electrons en cel·les solars Dye-sensitized (DSCs). El treball d’aquesta tesis s ’enfoca en la preparació i caracterització de nanostructures de ZnO: nanorods (NR), nanotrees (NTr) i core-shells (CS) i la seva aplicación en DSCs i OSCs. L’optimització de tots els paràmetres de les cel·les solars per millorar l’eficiència també es presenta en aquest treball.

Solar energy converts the sunlight into electricity and is one of the most encouraging renewable, CO2-free and low cost alternative energy source to fossil fuels. Among the different photovoltaic devices the third-generation excitonic solar cells (XSCs), which include organic, hybrid and dye-sensitized solar cells, are promising devices for the achievement of the three main criteria that would lead to large scale commercialization: high efficiency, low cost and the possibility to apply simple and scalable fabrication techniques. The application of ZnO in XSCs has been rising over the last few years due to its similarities with the most studied semiconductor oxide, TiO2. ZnO presents comparable band gap values and conduction band position as well as higher electron mobility than TiO2. It can be synthesized in a wide variety of nanoforms applying straight forward and scalable synthesis methodologies. Specially, the application of vertically-aligned ZnO nanostructures it is thought to improve contact between the donor and acceptor material in organic solar cells (OSC), or improve electron injection in Dye sensitized solar cells (DSCs). The present thesis focuses on the preparation and characterization of ZnO nanostructures: nanorods (NR), nanotrees (NTr) and core-shells (CS) and their application in DSCs and OSCs. The optimization of the solar cell parameters to enhance its performance is also presented here.