ΠΕΝΕΔ 2003
ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ ΗΛΙΑΚΕΣ ΚΥΨΕΛΙΔΕΣ
(03ΕΔ118)

Πρόγραμμα Ενίσχυσης Ερευνητικού Δυναμικού (ΠΕΝΕΔ) 2003

Κωδικός Έργου: 03ΕΔ118
Ανάδοχος: Ινστιτούτο Φυσικοχημείας/ΕΚΕΦΕ "Δημόκριτος"
Επιστημονικός Υπεύθυνος: Πολύκαρπος Φαλάρας
Μέτρο: 8.3
Δράση: 8.3.1
Θεματικός Τομέας: ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΚΑΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ
Αρμόδια Διεύθυνση ΓΓΕΤ: ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ ΕΡΕΥΝΤΗΙΚΩΝ  ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΩΝ
Αρμόδιος Χειριστής ΓΓΕΤ: Μ. ΠΑΛΑΙΟΥ

 

Συμμετέχοντες Φορείς

ΕΚΕΦΕ "Δημόκριτος" Πολύκαρπος Φαλάρας, Ερευνητής Α'  - Ινστιτούτο Φυσικοχημείας
Solar Technologies Α.Ε. Σπύρος Καρακώστας, Πρόεδρος και Διευθύνων Σύμβουλος
Πανεπιστήμιο Πατρών Ιωάννης Καλλίτσης, Καθηγητής - Τμήμα Χημείας
Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Ιωάννης Ράπτης, Αναπλ. Καθηγητής - Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων

Μάμμαντος Προδρομίδης, Λέκτορας -Τμήμα Χημείας

 

Ερευνητές

Χρυσάνθη Ζούλη, κύρια απασχόληση στο ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος -Υποστήριξη στο ΕΜΠ
"Ανάπτυξη και βελτιστοποίηση ευαισθητοποιημένων ηλιακών κυψελίδων νανοκρυσταλλικής τιτάνιας"
Ελευθέριος Πευκιανάκης, κύρια απασχόληση στο Παν/μιο Πατρών-Υποστήριξη στο Παν/μιο Πατρών
"Νέα Πολυμερικά Χρωμοφόρα και Πολυμερικοί Ηλεκτρολύτες για Εφαρμογές σε Ηλιακές Κυψελίδες"
Ευαγγελία Ρόζη, κύρια απασχόληση στο ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος-Υποστήριξη στο ΕΜΠ
"Οργανικές ηλιακές κυψελίδες"
Νίκη Αλεξάκη, κύρια απασχόληση στο ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος-Υποστήριξη στο ΕΜΠ
"Φασματοσκοπικός χαρακτηρισμός οργανικών ηλιακών κυψελίδων με Φασματοσκοπία RAMAN και Φασματοσκοπία Ηλεκτροχημικής Εμπέδησης"

 

Εισαγωγή

Η αλόγιστη χρήση ορυκτών καυσίμων και τα περιβαλλοντικά και οικονομικά προβλήματα που αυτή δημιουργεί, έχει στρέψει το κοινωνικό ενδιαφέρον και την επιστημονική έρευνα προς τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Αυτές προέρχονται από φυσικούς ανεξάντλητους πόρους και καλούνται σήμερα περισσότερο από ποτέ, να συμβάλλουν στην κάλυψη των ενεργειακών αναγκών. Η κυριότερη από αυτές είναι η ηλιακή ενέργεια. Η τεχνολογία εκμετάλλευσης της ενέργειας του ήλιου, βασίζεται σε φυσικoχημικές διεργασίες που επιτελούνται στη φύση. Οι διατάξεις που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ονομάζονται "ηλιακές κυψελίδες" και κατατάσσονται με βάση τα φωτοενεργά υλικά σε ανόργανες, οργανικές και υβριδικές.

Παρούσα και προβλεπόμενη χρήση ορυκτών καυσίμων και εναλλακτικών πηγών ενέργειας, για την κάλυψη της ενεργειακής ζήτησης, σε παγκόσμιο επίπεδο (πηγή: NRELNational Renewable Energy Laboratory, USA).

 

Η τελευταία κατηγορία ηλιακών κυψελίδων αφορά τις υβριδικές ηλιακές κυψελίδες, δηλαδή συστήματα που εμπεριέχουν ανόργανα και οργανικά συστατικά. Αυτές χρησιμοποιούν ως δέκτη ηλεκτρονίων υμένια νανοκρυσταλλικής τιτάνιας (TiO2), ενώ ως δότες χρησιμοποιούνται είτε συζυγιακά πολυμερή είτε σύμπλοκα των μετάλλων μετάπτωσης με διαζω- ή τριαζω- αρωματικούς υποκαταστάτες. Με βάση την παραπάνω διαφοροποίηση, έχει επικρατήσει ο διαχωρισμός σε υβριδικές ηλιακές κυψελίδες και σε ηλιακές κυψελίδες νανοκρυσταλλικού TiO2, αντίστοιχα. Οι δύο τύποι παρουσιάζουν σήμερα αποδόσεις μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική, της τάξης του 7,5 % και 12 %, αντίστοιχα.

Τυπική μορφή διατάξεων
ηλιακών κελιών.
Πλαστική ηλιακή κυψελίδα σε ελαστικό υπόστρωμα.

 

Οι ευαισθητοποιημένες ηλιακές κυψελίδες νανοκρυσταλλικού TiO2 (DSSCs) ή συχνότερα αναφερόμενες, ηλιακές κυψελίδες τύπου Gratzel, έχουν προσελκύσει το μεγαλύτερο ενδιαφέρον λόγω της υψηλής απόδοσης μετατροπής (περίπου 12 %) και του σχετικά χαμηλού τους κόστους. Η λειτουργία μιας ευαισθητοποιημένης ηλιακής κυψελίδας τύπου Gratzel, βασίζεται στο συνδυασμό δύο υλικών με διαφορετικούς ρόλους. Το πρώτο υλικό λειτουργεί ως «κεραία συγκομιδής» της ηλιακής ακτινοβολίας - χρωστική [σύμπλοκο Ru(II)] - και το δεύτερο ως «αποθήκη» ηλεκτρονίων» - ημιαγωγός ευρέος χάσματος (νανοκρυσταλλική TiO2). Η σύνθεση συμπλόκων πολυμερούς-μετάλλου ιδιαίτερα, βρίσκεται στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος, καθώς επιτρέπει την δημιουργία συμμετρικών και ασύμμετρων συστημάτων, οδηγώντας σε υπερμοριακές δομές με νέες και ενδιαφέρουσες φυσικοχημικές ιδιότητες για τις «κεραίες συγκομιδής» - δότες ηλεκτρονίων.
Στο παρόν έργο γίνεται προσπάθεια αντικατάστασης των κλασσικών φωτο-δραστικών υλικών που χρησιμοποιούνται μέχρι σήμερα, με πολυμερικά ή συμπολυμερικά υλικά, χρησιμοποιώντας ελεγχόμενες μεθόδους πολυμερισμού (ATRP), για την «κατά παραγγελία» σύνθεση διαλυτών φωτοενεργών πολυμερών με υψηλό φορτίο μεταλλοϊόντων, καθώς και τον συνδυασμό τους με πολυ-ηλεκτρολύτες. Επιπλέον, παρασκευάστηκαν συμπολυμερή μεταλλικών συμπλόκων με μονάδες που λειτουργούν ως μεταφορείς ηλεκτρονίων ή οπών, τα οποία παρουσίασαν ελεγχόμενες οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες και εφαρμόστηκαν επιτυχώς σε διόδους εκπομπής φωτός (LED). Τέλος, τροποποιήθηκαν οι επιφάνειες νανοσωλήνων άνθρακα με τέτοια σύμπλοκα, στοχεύοντας στην εκμετάλλευση των ιδιαίτερων μηχανικών, θερμικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων των νανοσωλήνων, σε μια πιθανή οπτοηλεκτρονική εφαρμογή των νανοσύνθετων αυτών συστημάτων.

 

Περίληψη

ΠΕΝΕΔ 2003
ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ ΗΛΙΑΚΕΣ ΚΥΨΕΛΙΔΕΣ
(03ΕΔ118)

 

Περίληψη

Η σύνθεση συμπλόκων πολυμερούς-μετάλλου βρίσκεται σήμερα στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος. Ο συνδυασμός ανόργανων μονάδων που περιέχουν μέταλλα με μακρομόρια οδηγεί σε υπερμοριακές δομές με νέες και ενδιαφέρουσες φυσικές και χημικές ιδιότητες. Οι ιδιότητες αυτές - ηλεκτροχημικές και ιδιότητες μεταφοράς ηλεκτρονίων και ενέργειας- καθορίζονται από την κατάλληλη επιλογή υποκαταστάτη και τα καθιστούν ιδιαιτέρως αξιοποιήσιμα υλικά. Από μία μεγάλη ποικιλία πολυμερικών συμπλόκων που έχουν συντεθεί μέχρι σήμερα, εκείνα που έχουν ως βάση τους το ρουθήνιο (Ru) προσφέρουν επιθυμητές ιδιότητες, όπως η ηλεκτρική αγωγιμότητα, η φωταύγεια και η φωτοδιαθλαστικότητα. Το ρουθήνιο είναι ένα από τα πιο ευνοϊκά ιόντα της τεχνολογίας συμπλοκοποίησης πολυμερών καθώς επιτρέπει την απευθείας σύνθεση τόσο ασύμμετρων συμπλόκων όσο και συμμετρικών συστημάτων. Ως υποκαταστάτες του ρουθηνίου, χρησιμοποιούνται κυρίως o διδοντικός υποκαταστάτης 2,2'-διπυριδίνη και ο τριδοντικός υποκαταστάτης 2,2':6',2''-τριπυριδίνη εξαιτίας της μεγάλης συγγένειας δεσμού που αυτοί εμφανίζουν με τα μέταλλα μετάπτωσης. Τέτοιες σύμπλοκοκες ενώσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ευαισθητοποιητές σε υβριδικές ηλιακές κυψελίδες.

Κατά τη διάρκεια του ανωτέρου έργου υλοποιήθηκαν οι κατωτέρω ενότητες:
1. Σύνθεση, χημικός, και οπτοηλεκτρονικός χαρακτηρισμός μονομερικών ή και πολυμερικών δι-σύμπλοκων ιόντων του ρουθηνίου με τριπυριδινικούς υποκαταστάτες. Τα πολυμερικά δι-σύμπλοκα παράχθησαν, πολυμερίζοντας ένα βινυλικό μονομερές τριπυριδίνης με ελεγχόμενες μεθόδους πολυμερισμού (ATRP), χρησιμοποιώντας δραστικούς εκκινητές. Τα τελικά δι-σύμπλοκα, μονομερικού ή πολυμερικού τύπου, φέρουν στα άκρα τους ομάδες καρβοξυλίου και χρησιμοποιήθηκαν ως χρωστικές ευαισθητοποίησης υμενίων TiO2, σε υβριδικές ηλιακές κυψελίδες τύπου Gratzel.
2. Σύνθεση, χημικός, και οπτοηλεκτρονικός χαρακτηρισμός μονομερών και πολυμερικών τρι-σύμπλοκων ιόντων του ρουθηνίου με διπυριδινικούς υποκαταστάτες. Αρχικά παρήχθη ένα πρότυπο βινυλικό μονομερές διπυριδίνης το οποίο, στη συνέχεια, συμπλοκοποιήθηκε με μόρια διπυριδίνης και ιόντα ρουθηνίου. Ακολούθως, πολυμερίστηκε χρησιμοποιώντας ελεγχόμενες μεθόδους πολυμερισμού (ATRP) με δραστικούς ή χρωμοφόρους εκκινητές. Τα τελικά πολυμερικά τρι-σύμπλοκα φέρουν στα άκρα τους ομάδες καρβοξυλίου ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως χρωστικές ευαισθητοποίησης υμενίων TiO2, σε υβριδικές ηλιακές κυψελίδες τύπου Gratzel. Τέλος το παραπάνω σύμπλοκο, συμπολυμερίστηκε με ομάδες που δρουν ως μεταφορείς ηλεκτρονίων ή οπών και τα τελικά αυτά υλικά μελετήθηκαν ως προς την ικανότητά τους να λειτουργούν ως στοιβάδες εκπομπής, σε διόδους εκπομπής φωτός (LED).
3. Χημική τροποποίηση και χημικός και οπτοηλεκτρονικός χαρακτηρισμός τροποποιημένων επιφανειών νανοσωλήνων άνθρακα μονού και πολλαπλού τοιχώματος με μονομερή και πολυμερικά δι-σύμπλοκα ιόντων του ρουθηνίου με τριπυριδίνες. Τα σύμπλοκα που χρησιμοποιήθηκαν είναι όμοια με αυτά που παρήχθησαν στην ενότητα 1. Στόχος των προτεινόμενων τροποποιήσεων είναι η εκμετάλλευση των ιδιαίτερων μηχανικών, θερμικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων των νανοσωλήνων, που θα προσφέρουν πλεονεκτήματα κατά την εφαρμογή των νανοσύνθετων αυτών συστημάτων, σε υβριδικές ηλιακές κυψελίδες τύπου Gratzel.

Δημοσιεύσεις

ΠΕΝΕΔ 2003
ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ ΗΛΙΑΚΕΣ ΚΥΨΕΛΙΔΕΣ
(03ΕΔ118)

 

Δημοσιεύσεις σε Διεθνή Περιοδικά

  1. "Synthesis and Characterization of Novel Vinyl-2,2'-bypyridine Monomer and its Homopolymeric/Copolymeric Metal Complexes"
    E.K. Pefkianakis, N.P. Tzanetos and J.K. Kallitsis
    Chemistry of Materials, 20, 6254-6262 (2008)
  2. "End-Functionalization of Semiconducting Species with Dendronized Terpyridine-Ru(II)-Terpyridine Complexes"
    E.K. Pefkianakis, N.P. Tzanetos, C.L. Chochos, A.K. Andreopoulou, J.K. Kallitsis
    Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, 47, 1939-1952 (2009)
  3. "Carbon Nanotubes Decorated with Terpyridine-Ruthenium Complexes"
    A. A. Stefopoulos, E. K. Pefkianakis, K. Papagelis, A. K. Andreopoulou, J. K. Kallitsis
    Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, 47, 2551-2559, (2009)
  4. "Metallosupramolecular Side-Chain Polymers and Polyelectrolyte-Metallosupramolecular Surfactant Complexes"
    M. R. Hammond, A. K. Andreopoulou, E. K. Pefkianakis, N. P. Tzanetos, J. K. Kallitsis, R. Mezzenga
    Chemistry of Materials, 21 (11), 2169-2172, (2009)

Συνέδρια

 

ΠΕΝΕΔ 2003
ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ ΗΛΙΑΚΕΣ ΚΥΨΕΛΙΔΕΣ
(03ΕΔ118)

 

Προφορικές ομιλίες σε Συνέδρια

  1. "Synthesis and Characterization of Polymeric [Ru2+] Complexes and their Application as Dyes is Solar Cells"
    E.K Pefkianakis, N.P. Tzanetos, T. Stergiopoulos, P. Falaras and J.K. Kallitsis
    1st International Symposium on Organic Electronics, 9-11 July 2008, Halkidiki, Greece
  2. "Synthesis and Characterization of [Ru(bpy)32+] complex and its polymerization via ATRP method"
    E.K. Pefkianakis, N.P. Tzanetos, A.I. Philippopoulos, P. Fallaras, J. K. Kallitsis
    6th Hellenic Conference on Polymers, November 3-5, 2006, Patras, Greece
  3. "Synthesis and Characterization of Polymeric [Ru2+] Complexes and their Application as Dyes in Solar Cells"
    E.K.Pefkianakis, N.P.Tzanetos, T.Stergiopoulos, P.Falaras and J.K.Kallitsis
    "7th Hellenic Polymer Conference", 28/9-1/10/2008 Ioannina, Greece
  4. "Synthesis and Characterization of nanostructured functional polymer-metal complexes via ATRP and polycondensation and their applications"
    E.K. Pefkianakis, N.P. Tzanetos, J. K. Kallitsis
    3rd International Symposium Nanofunpoly, 13-15 May, 2007, Corfu, Greece

Ανακοινώσεις σε Συνέδρια

  1. "Development of new Polymers and Composite Materials for Organic Photovoltaics and Dye Sensitized Solar cells"
    E.K Pefkianakis, A.A. Stefolpoulos, A.K. Andreopoulou, C.L. Chochos, V.G. Georgiou and J.K. Kallitsis
    "International Symposium towards organic photovoltaics", February 6-8 2008, Johannes Kepler University of Linz, Austria
  2. "Synthesis and Characterization of [Ru(bpy)32+] complex and its polymerization via ATRP method"
    E.K. Pefkianakis, N.P. Tzanetos, A.I. Philippopoulos, P. Fallaras, J. K. Kallitsis
    6th Hellenic Conference on Polymers, November 3-5, 2006, Patras, Greece

Παραδοτέα

 

ΠΕΝΕΔ 2003
ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ ΗΛΙΑΚΕΣ ΚΥΨΕΛΙΔΕΣ
(03ΕΔ118)

 

Παραδοτέο 1
Πειραματικό Μέρος

 

Παραδοτέο 2
Δημοσιεύσεις σε Διεθνή Περιοδικά

 

Παραδοτέο 3Α
Προφορικές ομιλίες σε Συνέδρια

 

Παραδοτέο 3Β
Ανακοινώσεις σε Συνέδρια

 

Τελική Έκθεση Έργου

Attachments:
Download this file (conforal.pdf)conforal.pdf[ ]8231 kB
Download this file (confposter.pdf)confposter.pdf[ ]8231 kB
Download this file (experimental.pdf)experimental.pdf[ ]8231 kB
Download this file (publications.pdf)publications.pdf[ ]8231 kB
Download this file (telikhektheshpened.pdf)telikhektheshpened.pdf[ ]8219 kB