Σύνθεση, χαρακτηρισμός νανοϋβριδικών υλικών GO/Co, GO/Cu και GO/Co-Cu και εφαρμογή τους σε φωτοβολταϊκές κυψελίδες - Τσιχλής, Δημήτριος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Χημικών Επιστημών (I), 2017)
Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός νανοϋβριδικών υλικών οξειδίου του γραφενίου (GO) με μέταλλα, συγκεκριμένα με χαλκό (Cu) και κοβάλτιο (Co) που προστέθηκαν υπό την μορφή των αλάτων CuCl2 και CoCl2 αντίστοιχα, καθώς και η χρήση τους για την κατασκευή ηλεκτροδίων καθόδου σε φωτοβολταικά κελιά ευαισθητοποιημένα με κβαντικές τελείες. Το γραφένιο είναι ένα μονοστρωματικό υλικό όπου τα άτομα του άνθρακα συνδέονται μεταξύ τους με sp2 υβριδισμούς και η διάταξή τους είναι ένα δισδιάστατο εξαγωνικό κυψελοειδές πλέγμα. Τεράστιο είναι το ενδιαφέρον που έχει προσελκύσει, εξαιτίας των εξαιρετικών ιδιοτήτων και της μεγάλης ειδικής επιφάνειας που διαθέτει, χαρακτηριστικά που αποδίδονται στη δισδιάστατη δομή του και το καθιστούν ιδανικό υλικό για πλήθος εφαρμογών σε πεδία όπως η βιοϊατρική, η οπτοηλεκτρονική και η κατάλυση. Παρόμοια δομή με αυτή του γραφενίου έχει και το οξείδιο του γραφενίου, με τη διαφορά ότι στην επιφάνειά του υπάρχει πλήθος υδροφιλικών λειτουργικών ομάδων, όπως εποξυ-, υδροξυλ- και καρβοξυλ- ομάδες, οι οποίες του προδίδουν πολύ καλή διασπορά στο νερό. Παρόλα αυτά, στο GO προσδίδονται, μέσω της αναγωγής του, παρόμοιες ιδιότητες με αυτές του γραφενίου. Για τον λόγο αυτό και το GO αποτελεί την πρώτη επιλογή ως υλικό για την παρασκευή νανοϋβριδικών που βασίζονται στο γραφένιο. Τέλος, εξίσου καλά χαρακτηριστικά διαθέτει και το rGO, γεγονός που το καθιστά πολλά υποσχόμενο υλικό για ηλεκτρικές και οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές. Το γραφένιο είναι ένας ημιαγωγός μηδενικού χάσματος ή ένα ημιμέταλλο. Παρουσιάζει πολύ υψηλή κινητικότητα ηλεκτρονίων, η οποία το καθιστά εξαιρετικά αγώγιμο. Ακόμα, διαθέτει άμεσο ενεργειακό διάκενο, γι’ αυτό μπορεί να απορροφήσει περισσότερα φωτόνια σε μία πολύ λεπτότερη περιοχή σε σύγκριση με το έμμεσο διάκενο ζώνης ημιαγωγών. Χάρις στις εξαιρετικές οπτικές του ιδιότητες μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως διαφανές ηλεκτρόδιο και σε διασυνδέσεις δύο επιμέρους κελιών σε παράλληλα φωτοβολταϊκά και τόσο αυτό όσο και τα παράγωγά του έχουν συγκεντρώσει το επιστημονικό ενδιαφέρον στον τομέα των ηλιακών κυψελίδων. Το γραφένιο, ως αντιανακλαστικό επίστρωμα είναι πολύ σημαντικό σε σχεδιασμούς ηλιακών κελιών, καθώς αυτά τα επιστρώματα εμποδίζουν το εισερχόμενο φως από το να αντανακλάται πίσω στην ατμόσφαιρα. Η χρήση στρωμάτων γραφενίου ως αντιανακλαστική επίστρωση παράγει συγκρίσιμη τιμή ανάκλασης με εκείνη των συμβατικών αντιανακλαστικών επιστρώσεων που χρησιμοποιούνται σε φωτοβολταϊκά. Ο μονοστρωματικός χαρακτήρας του γραφενίου το κάνει ένα ιδανικό επιφανειακό στρώμα για επίπεδη, ανάγλυφη ή κυματοειδή επιφάνεια. Το πρώτο μέρος της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελείται από το θεωρητικό μέρος και αφορά στη βιβλιογραφική προσέγγιση του θέματος. Στο δεύτερο μέρος περιγράφεται λεπτομερώς η πειραματική έρευνα που πραγματοποιήθηκε για την παρασκευή των νανοϋβριδικών υλικών GO/Co, GO/Cu και GO/Co-Cu, όπου αναφέρονται οι πειραματικές διατάξεις και διαδικασίες που χρησιμοποιήθηκαν. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε η σύνθεση του GO, με την τροποποιημένη μέθοδο Hummers, κάνοντας χρήση ισχυρών οξειδωτικών αντιδραστηρίων και, στη συνέχεια, ο σχηματισμός των σωματιδίων Co και Cu πάνω στα νανόφυλλα του GO. Η παρασκευή των νανοϋβριδικών υλικών πραγματοποιήθηκε με τη διαλυτοθερμική μέθοδο, κατά την οποία χρησιμοποιήθηκε αυτόκλειστο από ανοξείδωτο ατσάλι και πραγματοποιήθηκε θέρμανση σε υψηλή θερμοκρασία για πολλές ώρες. Τα νανουβριδικά αυτά υλικά ενσωματώθηκαν επιτυχώς ως ηλεκτρόδια καθόδου σε ηλιακά κελιά ευαισθητοποιημένα με κβαντικές τελείες όπου παρουσίασαν μέγιστη απόδοση 8.73%. Για τον χαρακτηρισμό των δειγμάτων χρησιμοποιήθηκαν διάφορες ενόργανες χημικές μέθοδοι ανάλυσης, όπως Περίθλαση Ακτίνων-X (XRD), Φασματοσκοπία Υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier (FTIR), Φασματοσκοπία Raman, Θερμοβαρυμετρική Ανάλυση (TGA) Ηλεκτρονιακή Μικροσκοπία Σάρωσης – Εκπομπής Πεδίου (SEM-FESEM), Γραμμική Βολταμετρία Σάρωσης (LSV), Ηλεκτρικές Μετρήσεις με χαρακτηριστικά διαγράμματα J-V και Φασματοσκοπία Ηλεκτροχημικής Εμπέδησης (EIS). Με τις παραπάνω μετρήσεις πιστοποιήθηκε ο επιτυχής σχηματισμός των νανοσωματιδίων Co και Cu στα νανόφυλλα GO και λήφθηκαν πληροφορίες σχετικά με την κατανομή και το μέγεθος των σωματιδίων, τη δομή, τη σύσταση, τη μορφολογία και τη θερμική σταθερότητα των νανοϋβριδικών τελικών προϊόντων.