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Tesis:

Energy Harvesting Materials Based on Carbon Nanotube Fibre for Tough Electronics

  • Autor: MONREAL BERNAL, Alfonso

  • Título: Energy Harvesting Materials Based on Carbon Nanotube Fibre for Tough Electronics

  • Fecha: 2018

  • Materia: Sin materia definida

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

  • Departamentos: SIN DEPARTAMENTO DEFINIDO

  • Acceso electrónico: http://oa.upm.es/53558/

  • Director/a 1º: VILATELA, Juan J.

  • Resumen: La fibra de nanotubos de carbono (CNTf) tiene, entre otras propiedades, alta resistencia, módulo elástico y tenacidad, alta conductividad electrónica, elevada superficie específica y buena estabilidad electro-química. La combinación de estas propiedades hacen que la fibra de CNT sea un material interesante para utilizarlo simultáneamente como electrodo, colector de corriente y refuerzo mecánico. Esta tesis se centra en la fabricación y estudio de nuevos materiales basados en la fibra de CNT como conductor para nuevos dispositivos de conversión de energía con propiedades mecánicas aumentadas. Usada como contraelectrodo (CE) en celdas solares orgánicas DSSC, se han obtenido eficiencias del 9 %, comparable al material de referencia, el Platino. También se discute sobre la naturaleza de las propiedades catalíticas de este material, así como de su interacción con electrolitos con yoduro/ triyoduro como par redox. Se proponen nuevos diseños de dispositivos en base a las propiedades y al método de fabricación de la fibra CNT. Entre otros diseños se destaca el módulo solar basado en tejidos fibra CNT contínua superiores al metro de longitud, dispositivos bifaciales o el uso de la fibra CNT directamente como conductor flexible sin otro tipo de substrato. Por otro lado, en la presente investigación se han fabricado materiales híbridos de fibra CNT/ semiconductor por varios métodos de síntesis: por el método sol-gel/ hidrotermal, por deposición de capas atómicas (ALD), así como mediante la técnica "doctor blade". A través de los híbridos obtenidos, se ha observado que la morfología, el tamaño y el método de síntesis tienen una gran influencia sobre sus propiedades. Posteriormente, usando estos materiales como fotoánodos en celdas solares DSSC, se ha podido concluir que el balance entre los procesos de recombinación e inyección gobiernan el funcionamiento del dispositivo basado en CNTf. Se han investigado varios métodos para reducir la recombinación en estos dispositivos cuando se usa la fibra CNT como conductor en el fotoánodo. Entre ellos, la combinación de utilizar fibra semitransparente y pasivar su superficie con capas conformales de óxidos metálicos por ALD, han dado resultados prometedores. Las conclusiones que se extraen de esta tesis asientan los primeros pasos para la fabricación de una celda solar enteramente de carbono con propiedades mecánica mejoradas. ----------ABSTRACT---------- The Carbon Nanotube Fibres (CNTf) present high electrical conductivity, high mechanical properties (strength, elastic modulus and toughness), large specific surface area and electrochemical stability among others. This combination of properties makes them an interesting material that can simultaneously act as electrode, current-collector and mechanical reinforcement. This thesis is centred in the fabrication and study of new materials based on the CNTf used as current-collector for new energy conversion devices with augmented mechanical properties. Used as Counter-Electrode (CE) in Dye Sensitised Solar Cells (DSSC), CNTf leads to efficiency of 9 %, comparable to Pt reference. Some insights are discussed about the catalytic nature of this material and the CNTf/electrolyte interaction (based on iodide/ triiodide redox couple). New device architectures are proposed enabled by the properties and scalable process of the CNTf, such as 1 metre photovoltaic module, bifacial devices or free-standing flexible current-collector DSSC. Moreover, large CNTf/semiconductor hybrid materials have been produced by different techniques, such as sol-gel/hydrothermal method, atomic layer deposition or doctor blading commercial semiconductor pastes. It is demonstrated that they behave as electronic heterojunctions, and also, that there is charge transfer produced by photo-excitation of the semiconductors. The semiconductor dimension, morphology and synthesis method have a strong influence over the properties of the hybrid materials. Last but not the least, the implementation of these hybrids as photoanodes in DSSC is presented. Several routes are investigated for reducing the strong electrolyte recombination observed in presence of the CNTf. The passivisation of the CNTf electrode with metal oxides by ALD in combination with semi-transparent CNTf currentcollectors drastically reduced the recombination for CNTf photoanodes. The results here presented are a first step towards the fabrication of a full carbon photovoltaic device with augmented mechanical properties.