The effect of $TiO_2$ nanotube (TNT) and nanoparticle (TNP) composite photoelectrode and the role of TNT to enhance the photo conversion efficiency in dye-sensitized solar cell (DSSC) have investigated in this study. Results demonstrated that the increase of the TNT content (1-15 %) into the electron collecting TNP film increases the open-circuit potential ($V_{oc}$) and short circuit current density ($J_{sc}$). Based on the impedance analysis, the increased $V_{oc}$ was attributed to the suppressed recombination between electrode and electrolyte or dye. Photochemical analysis revealed that the increased Jsc with the increased TNT content was due to the scattering effect and the reduced electron diffusion path of TNT. The highest $J_{sc}$ (12.6 mA/$cm^2$), Voc (711 mV) and conversion efficiency (5.9%) were obtained in the composite photoelectrode with 15% TNT. However, $J_{sc}$ and $V_{oc}$ was decreased for the case of 20% TNT, which results from the significant reduction of adsorbed dye amount and the poor attachment of the film on the fluorine-doped tin oxide (FTO). Therefore, application of this composite photoelectrode is expected to be a promising approach to improve the energy conversion efficiency of DSSC.
Titanium nanotubes (TNT) of various lengths ranging from $0.34^{\circ}C$ to a maximum of $8.9^{\circ}C$ were prepared by anodizing a titanium metal sheet in an electrolyte containing fluorine ion ($F^-$) of HF, NaF and $NH_4F$. When TNT prepared by anodizing was calcined at $450^{\circ}C$, anatase crystals with photo activity were formed. The TNT-based dye-sensitized solar cell (DSSC) showed a maximum conversion efficiency of 4.71% when the TNT length was $2.5{\mu}m$. This value was about 18% higher than photo conversion efficiency of the FTO-based DSSC coated with titania paste. And the short circuit current density ($J_{sc}$) of the TNT-DSSC was $9.74mA/cm^2$, which was about 35% higher than the $7.19mA/cm^2$ of FTO-DSSC. The reason for the higher conversion efficiency of TNT-DSSC solar cells is that photoelectrons generated from dyes are rapidly transferred to the electrode surface through TNT, and the recombination of photoelectrons and dyes is suppressed.
Kim, Dae-gun;Lee, Kyung-min;Lee, Hyung-bok;Lim, Jong-woo;Park, Jae-hyuk
Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology
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v.30
no.2
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pp.61-65
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2020
The depletion of fossil fuels and the increase in environmental awareness have led to greater interest in renewable energy. In particular, solar cells have attracted attention because they can convert an infinite amount of solar energy into electricity. Dye-sensitize solar cells (DSSCs) are low cost third generation solar cells that can be manufactured using environmentally friendly materials. However, DSSC photoelectrodes are generally produced by screen printing, which requires high temperature heat treatment, and low temperature processes that can be used to produce flexible DSSCs are limited. To overcome these temperature limitations, this study fabricated photoelectrodes using room-temperature aerosol deposition. The resulting DSSCs had an energy conversion efficiency of 4.07 %. This shows that it is possible to produce DSSCs and flexible devices using room-temperature processes.
Transactions on Electrical and Electronic Materials
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v.18
no.2
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pp.93-96
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2017
The structural, electrical and optical properties of Ti thin films fabricated by dual magnetron sputtering were investigated under various film thicknesses. The fabricated Ti thin films exhibited uniform surfaces, crystallinity, various grain sizes, and with various film thicknesses. Also, the crystallinity and grain size of the Ti thin films increased with the increase of film thickness. The electrical properties of Ti thin films improved with the increase of film thickness. The results showed that the performance of TCO-less DSSC critically depended on the film thickness of the Ti working electrodes, due to the conductivity of Ti thin film. However, the maximum conversion efficiency of TCO-less DSSC was exhibited at the condition of 100 nm thickness due to the surface scattering of photons caused by the variation of grain size.
Organic dyes, because of their many advantages, such as high molar extinction coefficients, convenience of customized molecular design for desired photophysical and photochemical properties, inexpensiveness with no transition metals contained, and environment-friendliness, are suitable as photosensitizers for the Dye-sensitized Solar Cell (DSSC). The efficiency of DSSC based on metal-free organic dyes is known to be much lower than that of Ru dyes generally, but a high solar energy-to-electricity conversion efficiency of up to 8% in full sunlight has been achieved by Ito et al. using an indoline dye. This result suggests that smartly designed and synthesized metal-free organic dyes are also highly competitive candidates for photosensitizers of DSSCs with their advantages mentioned above. Recently, the performance of DSSC based on metal-free organic dyes has been remarkably improved by several groups. We had reported the novel organic dye with double electron acceptor chromophore, which was a new strategy to design an efficient photosensitizer for DSSC. To verify the strategy, we synthesized organic dyes whose geometries, electronic structures and optical properties were derived from preceding density functional theory (DFT) and time-dependent density functional theory (TD-DFT) calculations. In this paper, we successfully synthesized the chromophore containing multi-acceptor push-pull system from triphenylamine with thiophene moieties as a bridge unit. Organic dyes with a single electron acceptor and double acceptor system were also synthesized for comparison purposes. The photovoltaic performances of these dyes were compared, and the recombination dark current curves and the incident photon-to-current (IPCE) efficiencies were also measured in order to characterize the effects of the multi-anchoring groups on the open-circuit voltage and the short-circuit current. In order to match specifications required for practical applications to be implemented outdoors, light soaking and thermal stability tests of these DSSCs, performed under $100mWcm^{-2}$ and $60^{\circ}C$ for 1000h.
Kim, MyeongSeok;Cheon, Jong Hun;Jung, DaeYoung;Kim, JaeHong
한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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2011.05a
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pp.117.2-117.2
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2011
Since Gratzel and co-workers developed a new type of solar cell based on the nanocrystalline TiO2 electrode, dye-sensitized solar cells (DSSCs) have attracted considerable attention on account of their high solar energy-to-conversion efficiencies (11%), their easy manufacturing process with low cost production compared to conventional p-n junction solar cells. The mechanism of DSSC is based on the injection of electrons from the photoexcited dye into the conduction band of nanocrystalline TiO2. The oxidized dye is reduced by the hole injection process from either the hole counter or electrolyte. Thus, the electronic structures, such as HOMO, LUMO, and HOMO-LUMO gap, of dye molecule in DSSC are deeply related to the electron transfer by photoexcitation and redox potential. To date, high performance and good stability of DSSC based on Ru-dyes as a photosensitizer had been widely addressed in the literatures. DSSC with Ru-bipyridyl complexes (N3 and N719), and the black ruthenium dye have achieved power conversion efficiencies up to 11.2% and 10.4%, respectively. However, the Ru-dyes are facing the problem of manufacturing costs and environmental issues. In order to obtain even cheaper photosensitizers for DSSC, metal-free organic photosensitizers are strongly desired. Metal-free organic dyes offer superior molar extinction coefficients, low cost, and a diversity of molecular structures, compared to conventional Ru-dyes. Recently, novel photosensitizers such as coumarin, merocyanine, cyanine, indoline, hemicyanine, triphenylamine, dialkylaniline, bis(dimethylfluorenyl)-aminophenyl, phenothiazine, tetrahydroquinoline, and carbazole based dyes have achieved solar-to-electrical power conversion efficiencies up to 5-9%. On the other hand, organic dye molecules have large ${\pi}$-conjugated planner structures which would bring out strong molecular stacking in their solid-state and poor solubility in their media. It was well known that the molecular stacking of organic dyes could reduce the electron transfer pathway in opto-electronic devices, significantly. In this paper, we have studied on synthesis and characterization of dendritic organic dyes with different number of electron acceptor/anchoring moieties in the end of dendrimer. The photovoltaic performances and the incident photon-to-current (IPCE) of these dyes were measured to evaluate the effects of the dendritic strucuture on the open-circuit voltage and the short-circuit current.
In order to improve the energy conversion efficiency of dye-sensitized solar cell (DSSC), the photoelectrode was manufactured by using $TiO_2$ and $WO_3$ on combination effects of two conduction bands. The smash procedure of $TiO_2$ and $WO_3$ was carried out by using a paint shaker to enlarge the contact area of semiconductor with dye and electrolyte. The energy conversion efficiency of prepared DSSC was improved about two times from current-voltage curve based on effects of $WO_3$ and smash. The mechanism was suggested that the conduction band of $WO_3$ worked for prohibiting the trapping effects of electrons in conduction band of $TiO_2$. This result is attributed to the prevention of electron recombination between electron in conduction band of $TiO_2$ with dye and electrolyte. Impedance results indicate the improved electron transport at interface of $TiO_2$/dye/electrolyte.
Proceedings of the Korean Institute of Navigation and Port Research Conference
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2009.06a
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pp.467-470
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2009
A novel 8 V DC power source with an external series-parallel connection of 50 Dye-Sensitized Solar Cells(DSSCs) has been proposed. One DSC has the optimized length to width ratio of $5.2{\times}2.6$ cm and an active area 8 $cm^2$($4.62{\times}1.73$ cm) which attained a conversion efficiency of 4.2%. From the electrochemical impedance spectroscopic analysis, it was found that the resistance elements related to the Pt electrode and electrolyte interface behave like that of diode and the series resistance corresponds to the sum of the other resistance elements. In addition, the TEMoo mode pulsed Nd:YAG laser beam is used to improve the incident photon to current efficiency(IPCE) of DSSC. From this result, this novel 8V-0.38A DC power source shows stable performance with an energy conversion efficiency of about 4.5% under 1 sun illumination(AM 1.5, Pin of 100 $mW/cm^2$).
The light harvesting efficiency is counted as an important factor in the power conversion efficiency of DSSCs. There are two measures to improve this parameter, including enhancing the dye-loading capacity and increasing the light trapping in the photoanode structure. In this paper, these tasks are addressed by introducing a macro-porous silicon (PSi) substrate as photoanode. The effects of the novel photoanode structure on the DSSC performance have been investigated by using energy dispersive X-ray spectroscopy, photocurrent-voltage, UV-visible spectroscopy, reflectance spectroscopy, and electrochemical impedance spectroscopy measurements. The results indicated that bigger porosity percentage of the PSi structure improved the both anti-reflective/light-trapping and dye-loading capacity properties. PSi based DSSCs own higher power conversion efficiency due to its remarkable higher photocurrent, open circuit voltage, and fill factor. Percent porosity of 64%, PSi(III), resulted in nearly 50 percent increment in power conversion efficiency compared with conventional DSSC. This paper showed that PSi can be a good candidate for the improvement of light harvesting efficiency in DSSCs. Furthermore, this study can be considered a valuable reference for more investigations in the design of multifunctional devices which will profit from integrated on-chip solar power.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2005.07a
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pp.615-616
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2005
Carbon Nanotubes (CNT) on flexible indium tin oxide (ITO) PET films were prepared for dye-sensitized solar cell (DSSC). These CNTs were prepared by spray coating method for various amount of light transparency. Also, Pt counter electrode was prepared by electro deposition method. All $TiO_2$ electrodes were deposited on ITO-PET films by spray coating method. Micro structural images show that CNT counter electrodes prepared by spray-coating have more dense structure with increasing spraying time (0 to 60 seconds). DSSC consisting of $TiO_2$ electrode and CNT counter electrode was fabricated with various amount of light absorption. DSSC have higher light energy conversion efficiency with increasing the thickness of CNT counter electrode. CNT counter electrode is at least compatible to that of CNT counter electrode.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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