Ανάπτυξη υψηλής απόδοσης φασματικά τροποποιημένων φωτο-ευαίσθητων ηλιακών κυττάρων με χρωστικές ουσίες μέσω της μεθόδου της συν-ευαισθητοποίησης για θερμοκηπιακές εφαρμογές

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρώνεται στην ανάπτυξη φωτοβολταϊκών υψηλής απόδοσης για εφαρμογές στον αγροδιατροφικό τομέα, με κατεύθυνση τη βιώσιμη διαχείριση του συστήματος Νερό–Ενέργεια–Τροφή–Οικοσυστήματα (Water–Energy–Food–Ecosystems, WEFE). Η μελέτη αφορά την αξιολόγηση και βελτιστοποίηση φωτο-ευαισθητοποιημένων ηλιακών κυττάρων με χρωστική ουσία (Dye-Sensitized Solar Cells, DSSCs), τα οποία παρουσιάζουν υψηλή συμβατότητα στα οπτικά τους χαρακτηριστικά με τις απαιτήσεις των αγρο-φωτοβολταϊκών εφαρμογών. Η εργασία στοχεύει στην κατασκευή φασματικά τροποποιημένων DSSCs μέσω της μεθόδου της συν-ευαισθητοποίησης. Σε αυτή την κατεύθυνση, η μελέτη πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας κατάλληλους συνδυασμούς χρωστικών ουσιών, με δυο διαφορετικές προσεγγίσεις, για τη βελτίωση της φασματικής απόκρισης των διατάξεων. Έμφαση δόθηκε στην αύξηση της απορρόφησης του φωτός εκτός της φωτοσυνθετικά ενεργής ακτινοβολίας (Photosynthetic Active Radiation, PAR) και η διατήρηση υψηλής διαφάνειας εντός αυτής, ώστε να εξασφαλίζεται ταυτόχρονα η ενεργειακή αποδοτικότητα των φωτοβολταϊκών και η φωτοσυνθετική δράση των καλλιεργειών. Συγκεκριμένα, στα αναπτυσσόμενα φωτοβολταϊκά μελετήθηκε η ενσωμάτωση χρωστικών που απορροφούν στην περιοχή από το UV-A έως το μπλε άκρο του ορατού φάσματος του φωτός, καθώς και μία χρωστική ουσία που απορροφά στο εγγύς υπέρυθρο. Εφαρμόστηκαν δύο τεχνικές συν-ευαισθητοποίησης, η διαδοχική και η ταυτόχρονη, με τη δεύτερη να αποδεικνύεται πιο αποδοτική, οδηγώντας σε μέγιστη απόδοση 7.05% στα ηλιακά κύτταρα. Η τιμή αυτή αντιστοιχεί σε αύξηση της απόδοσης κατά περίπου 14% σε σύγκριση με τα φωτοβολταϊκά αναφοράς (χρήση μίας μόνο χρωστικής ουσίας). Επίσης τα φάσματα απορρόφησης/διαπερατότητας των αναπτυσσόμενων φωτοβολταϊκών επιβεβαιώνουν τη συμβατότητά τους με αγροδιατροφικές εφαρμογές, συμβάλλοντας στη στρατηγική της επίτευξης υψηλής απόδοσης στη διπλή χρήση γης για τη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και τροφίμων.