Главная » Солнечные батареи

Сенсибилизирующие красители солнечных батарей

Обновлено
Содержание
  1. Сенсибилизированный красителем солнечный элемент — Dye-sensitized solar cell
  2. СОДЕРЖАНИЕ
  3. Текущая технология: полупроводниковые солнечные элементы
  4. Сенсибилизированные красителем солнечные элементы
  5. Материалы встречных электродов
  6. Морфология
  7. Стехиометрия
  8. Синергия
  9. Строительство
  10. Механизм DSSC
  11. Морфология, похожая на наноплант
  12. Операция
  13. Эффективность
  14. Деградация
  15. Преимущества
  16. Недостатки
  17. Фотокатоды и тандемные ячейки
  18. Разработка
  19. Новые разработки
  20. 2003 г.
  21. 2006 г.
  22. Апрель 2007 г.
  23. Июнь 2008 г.
  24. 2009 г.
  25. 2010 г.
  26. 2011 г.
  27. 2012 г.
  28. 2018 г.
  29. Введение на рынок

Сенсибилизированный красителем солнечный элемент — Dye-sensitized solar cell

Сенсибилизированных красителем солнечных элементов ( DSSC , ДСК , DYSC или Grätzel клеток ) является низкая стоимость солнечных элементов , принадлежащих к группе тонкопленочных солнечных элементов . Он основан на полупроводнике, образованном между светочувствительным анодом и электролитом , фотоэлектрохимической системой. Современная версия солнечного элемента на основе красителя, также известная как элемент Гретцеля, была изобретена совместно в 1988 году Брайаном О’Реганом и Майклом Гретзелем из Калифорнийского университета в Беркли, а позже эта работа была разработана вышеупомянутыми учеными из Федеральной политехнической школы. Лозанна (EPFL) до публикации первого высокоэффективного DSSC в 1991 году. За это изобретение Михаэль Гретцель был награжден Премией тысячелетия в области технологий 2010 года .

DSSC имеет ряд привлекательных функций; он прост в изготовлении с использованием традиционных методов рулонной печати, является полугибким и полупрозрачным, что позволяет использовать его в различных целях, не применимых к системам на основе стекла, и большинство используемых материалов являются недорогими. На практике оказалось трудным избавиться от ряда дорогостоящих материалов, особенно платины и рутения , а жидкий электролит представляет собой серьезную проблему для создания элемента, пригодного для использования в любую погоду. Хотя его эффективность преобразования меньше, чем у лучших тонкопленочных элементов , теоретически его соотношение цена / качество должно быть достаточно хорошим, чтобы позволить им конкурировать с производством электроэнергии на ископаемом топливе за счет обеспечения паритета сети . Коммерческие приложения, которые были отложены из-за проблем с химической стабильностью, прогнозировались в дорожной карте Европейского союза по фотоэлектрическим технологиям, которые к 2020 году внесут значительный вклад в производство электроэнергии из возобновляемых источников .

Читайте также:  Обогрев теплиц солнечными батареями

СОДЕРЖАНИЕ

Текущая технология: полупроводниковые солнечные элементы

В традиционном твердотельном полупроводнике , А солнечный элемент выполнен из двух кристаллов легированных, один легированных с примесями п-типа ( п-типа полупроводник ), которые добавляют дополнительные полосу свободной проводимости электронов , а другие легированной примеси р-типа ( полупроводник p-типа ), которые добавляют дополнительные электронные дырки . При контакте часть электронов в части n-типа перетекает в p-тип, чтобы «заполнить» недостающие электроны, также известные как электронные дырки. В конце концов через границу потечет достаточно электронов, чтобы уравнять уровни Ферми двух материалов. Результатом является область на границе раздела, pn-переход , где носители заряда истощаются и / или накапливаются на каждой стороне границы раздела. В кремнии такой перенос электронов создает потенциальный барьер примерно от 0,6 до 0,7 эВ.

Находясь на солнце, фотоны солнечного света могут возбуждать электроны на стороне p-типа полупроводника, этот процесс известен как фотовозбуждение . В кремнии солнечный свет может обеспечить достаточно энергии, чтобы вытолкнуть электрон из валентной зоны с более низкой энергией в зону проводимости с более высокой энергией . Как следует из названия, электроны в зоне проводимости могут свободно перемещаться по кремнию. Когда нагрузка помещается на ячейку в целом, эти электроны будут вытекать со стороны p-типа на сторону n-типа, терять энергию при движении по внешней цепи, а затем возвращаться в материал p-типа, где они могут снова объединиться с дырой в валентной зоне, которую они оставили. Таким образом, солнечный свет создает электрический ток.

В любом полупроводнике запрещенная зона означает, что только фотоны с таким количеством энергии или более будут способствовать возникновению тока. В случае кремния большая часть видимого света от красного до фиолетового имеет достаточно энергии, чтобы это произошло. К сожалению, фотоны с более высокой энергией, находящиеся в синем и фиолетовом концах спектра, имеют более чем достаточно энергии, чтобы пересечь запрещенную зону; хотя часть этой дополнительной энергии передается электронам, большая часть ее тратится в виде тепла. Другая проблема заключается в том, что для того, чтобы иметь разумные шансы на захват фотона, слой n-типа должен быть достаточно толстым. Это также увеличивает вероятность того, что только что выброшенный электрон встретится с ранее созданной дырой в материале, прежде чем достигнет pn перехода. Эти эффекты создают верхний предел эффективности кремниевых солнечных элементов, который в настоящее время составляет от 12 до 15% для обычных модулей и до 25% для лучших лабораторных элементов (33,16% — теоретический максимальный КПД для однозонных солнечных элементов, см. Шокли. –Queisser limit .).

Читайте также:  Деревья с солнечными панелями

Безусловно, самая большая проблема традиционного подхода — это стоимость; солнечным элементам требуется относительно толстый слой легированного кремния, чтобы иметь разумные скорости захвата фотонов, а обработка кремния является дорогостоящей. За последнее десятилетие использовалось несколько различных подходов к снижению этой стоимости, особенно подходы с использованием тонких пленок , но на сегодняшний день они нашли ограниченное применение из-за множества практических проблем. Другое направление исследований заключалось в резком повышении эффективности за счет подхода с множеством узлов , хотя эти ячейки очень дороги и подходят только для крупных коммерческих развертываний. В целом типы ячеек, подходящих для развертывания на крыше, существенно не изменились по эффективности, хотя затраты несколько снизились из-за увеличения предложения.

Сенсибилизированные красителем солнечные элементы

В конце 1960-х было обнаружено, что освещенные органические красители могут генерировать электричество на оксидных электродах в электрохимических ячейках. В попытке понять и смоделировать первичные процессы фотосинтеза это явление было изучено в Калифорнийском университете в Беркли с хлорофиллом, извлеченным из шпината (биомиметический или бионический подход). На основе таких экспериментов в 1972 г. было продемонстрировано и обсуждено производство электроэнергии с помощью принципа сенсибилизации красителя (DSSC). Нестабильность солнечного элемента на основе красителя была определена как основная проблема. Его эффективность можно было бы повысить в течение следующих двух десятилетий за счет оптимизации пористости электрода, изготовленного из мелкодисперсного оксидного порошка, но нестабильность оставалась проблемой.

Современный DSSC n-типа, наиболее распространенный тип DSSC, состоит из пористого слоя наночастиц диоксида титана , покрытых молекулярным красителем, который поглощает солнечный свет, как хлорофилл в зеленых листьях. Диоксид титана погружают в раствор электролита , над которым находится катализатор на основе платины . Как и в обычной щелочной батарее , анод (диоксид титана) и катод (платина) расположены по обе стороны от жидкого проводника (электролита).

Принцип работы DSSC n-типа можно свести к нескольким основным шагам. Солнечный свет проходит через прозрачный электрод в слой красителя , где он может возбуждать электроны , которые затем текут в зону проводимости из п-типа полупроводника , обычно диоксида титана. Электроны из диоксида титана затем текут к прозрачному электроду, где они собираются для питания нагрузки. Пройдя через внешнюю цепь, они повторно вводятся в ячейку на металлическом электроде на задней стороне, также известном как противоэлектрод, и перетекают в электролит. Затем электролит переносит электроны обратно к молекулам красителя и регенерирует окисленный краситель.

Основной принцип работы, описанный выше, аналогичен DSSC p-типа, где сенсибилизированный красителем полупроводник имеет p-тип (обычно оксид никеля). Тем не менее, вместо того , чтобы инжекции электрона в полупроводник, в р-типа DSSC, А отверстие течет из красителя в валентную зону от полупроводника р-типа .

Сенсибилизированные красителем солнечные элементы разделяют две функции, обеспечиваемые кремнием, в традиционной конструкции элемента. Обычно кремний действует как источник фотоэлектронов, а также обеспечивает электрическое поле для разделения зарядов и создания тока. В сенсибилизированном красителем солнечном элементе основная часть полупроводника используется исключительно для переноса заряда, фотоэлектроны поступают от отдельного светочувствительного красителя . Разделение заряда происходит на поверхностях между красителем, полупроводником и электролитом.

Молекулы красителя довольно малы (нанометровые размеры), поэтому для захвата разумного количества падающего света слой молекул красителя должен быть достаточно толстым, намного толще, чем сами молекулы. Чтобы решить эту проблему, наноматериал используется в качестве каркаса для удержания большого количества молекул красителя в трехмерной матрице, увеличивая количество молекул для любой заданной площади поверхности клетки. В существующих конструкциях эти леса выполнены из полупроводникового материала, который выполняет двойную функцию.

Материалы встречных электродов

Одним из важнейших компонентов DSSC является противоэлектрод. Как указывалось ранее, противоэлектрод отвечает за сбор электронов из внешней цепи и ввод их обратно в электролит, чтобы катализировать реакцию восстановления окислительно-восстановительного челнока, обычно от I 3 — до I — . Таким образом, важно, чтобы противоэлектрод обладал не только высокой электронной проводимостью и диффузионной способностью, но также электрохимической стабильностью, высокой каталитической активностью и соответствующей полосовой структурой . Наиболее распространенным материалом противоэлектрода, используемым в настоящее время в DSSC, является платина, но она не является устойчивой из-за ее высокой стоимости и ограниченных ресурсов. Таким образом, много исследований было сосредоточено на обнаружении новых гибридных и легированных материалов, которые могут заменить платину с сопоставимыми или превосходными электрокаталитическими характеристиками. Одна такая категория, которая широко изучается, включает халькогенные соединения кобальта , никеля и железа (CCNI), в частности, влияние морфологии, стехиометрии и синергизма на результирующие характеристики. Было обнаружено, что в дополнение к элементному составу материала эти три параметра сильно влияют на результирующую эффективность противоэлектрода. Конечно, в настоящее время исследуются и другие материалы, такие как высокомезопористые угли, материалы на основе олова , наноструктуры золота , а также нанокристаллы на основе свинца. Однако в следующем разделе собраны различные текущие исследования, конкретно касающиеся CCNI, для оптимизации характеристик противоэлектрода DSSC.

Морфология

Даже при одинаковом составе морфология наночастиц, составляющих противоэлектрод, играет такую ​​важную роль в определении эффективности всей фотоэлектрической системы. Поскольку электрокаталитический потенциал материала сильно зависит от площади поверхности, доступной для облегчения диффузии и восстановления редокс-частиц, многочисленные исследовательские усилия были сосредоточены на понимании и оптимизации морфологии наноструктур для противоэлектродов DSSC.

В 2017 году Хуанг и др. использовали различные поверхностно-активные вещества в гидротермальном синтезе с помощью микроэмульсии композитных кристаллов CoSe 2 / CoSeO 3 для производства нанокубов, наностержней и наночастиц . Сравнение этих трех морфологий показало, что гибридные композитные наночастицы, благодаря наибольшей электроактивной площади поверхности, имели наивысший КПД преобразования энергии — 9,27%, что даже выше, чем у его платинового аналога. Мало того, морфология наночастиц показывала самую высокую плотность пикового тока и наименьший потенциальный зазор между анодным и катодным пиковыми потенциалами, что подразумевает лучшую электрокаталитическую способность.

В аналогичном исследовании, но с другой системой, Du et al. в 2017 году было установлено, что тройной оксид NiCo 2 O 4 имеет наибольшую эффективность преобразования энергии и электрокаталитическую способность как наноцветки по сравнению с наностержнями или нанолистами. Du et al. поняли, что изучение различных механизмов роста, которые помогают использовать большие активные площади поверхности наноцветов, может открыть путь для расширения применения DSSC в других областях.

Стехиометрия

Конечно, состав материала, который используется в качестве противоэлектрода, чрезвычайно важен для создания работающей фотовольтаики , поскольку зоны валентности и проводимости должны перекрываться с зонами окислительно-восстановительного электролита, чтобы обеспечить эффективный электронный обмен.

В 2018 году Джин и др. подготовили тройные пленки селенида никель-кобальта (Ni x Co y Se) при различных стехиометрических соотношениях никеля и кобальта, чтобы понять его влияние на производительность электролизера. Известно, что биметаллические сплавы никеля и кобальта обладают выдающейся электронной проводимостью и стабильностью, поэтому оптимизация их стехиометрии в идеале обеспечила бы более эффективную и стабильную работу элемента, чем его монохромные аналоги. Таков результат, что Jin et al. Было обнаружено, что Ni 0,12 Co 0,80 Se обеспечивает превосходную эффективность преобразования энергии (8,61%), более низкий импеданс переноса заряда и более высокую электрокаталитическую способность, чем его аналоги из платины и бинарного селенида.

Синергия

Последняя область, которая активно изучается, — это синергия различных материалов в обеспечении превосходных электроактивных характеристик. Будь то различные материалы для переноса заряда, электрохимические соединения или морфология, использование синергетических отношений между различными материалами проложило путь для еще более новых материалов противоэлектродов.

В 2016 году Лу и др. смешали микрочастицы сульфида никель-кобальта с нанофластиками восстановленного оксида графена (rGO) для создания противоэлектрода. Лу и др. обнаружили не только то, что rGO действует как сокатализатор в ускорении восстановления трииодида, но также что микрочастицы и rGO обладают синергетическим взаимодействием, которое снижает сопротивление переносу заряда всей системы. Хотя эффективность этой системы была немного ниже, чем у ее платинового аналога (эффективность системы NCS / rGO: 8,96%; эффективность системы Pt: 9,11%), она предоставила платформу для проведения дальнейших исследований.

Строительство

В случае оригинального дизайна Гретцеля и О’Регана ячейка состоит из 3 основных частей. Сверху находится прозрачный анод из диоксида олова, легированного фтором (SnO 2 : F), нанесенный на заднюю часть (обычно стеклянной) пластины. На обратной стороне этой проводящей пластины находится тонкий слой диоксида титана (TiO 2 ), который образует высокопористую структуру с чрезвычайно большой площадью поверхности . (TiO 2 ) химически связывается в процессе, называемом спеканием . TiO 2 поглощает лишь небольшую часть солнечных фотонов (в УФ). Пластина затем погружали в смеси фоточувствительного рутений — polypyridyl красителя (также называемые молекулярные сенсибилизаторов) и растворителя . После замачивания пленки в растворе красителя тонкий слой красителя остается ковалентно связанным с поверхностью TiO 2 . Связь представляет собой сложноэфирную, хелатную или бидентатную мостиковую связь.

Затем изготавливается отдельная пластина с тонким слоем йодидного электролита, нанесенным на проводящий лист, обычно из металлической платины . Затем две пластины соединяются и герметизируются, чтобы предотвратить утечку электролита. Конструкция достаточно проста, поэтому есть наборы для хобби, которые можно собрать вручную. Хотя в них используется ряд «передовых» материалов, они недороги по сравнению с кремнием, необходимым для обычных элементов, поскольку не требуют дорогостоящих этапов производства. Например, TiO 2 уже широко используется в качестве основы для красок.

Одно из эффективных устройств DSSCs использует молекулярный краситель на основе рутения, например [Ru (4,4′-дикарбокси-2,2′-бипиридин) 2 (NCS) 2 ] (N3), который связан с фотоанодом через карбоксилатные фрагменты. . Фотоанод состоит из пленки прозрачных наночастиц TiO 2 диаметром 10–20 нм толщиной 12 мкм, покрытых пленкой гораздо более крупных (диаметром 400 нм) частиц толщиной 4 мкм, которые рассеивают фотоны обратно в прозрачную пленку. Возбужденный краситель быстро вводит электрон в TiO 2 после поглощения света. Инжектированный электрон диффундирует через сеть спеченных частиц и собирается на переднем прозрачном проводящем оксидном электроде (TCO), в то время как краситель регенерируется посредством восстановления окислительно-восстановительным челноком I 3 — / I — , растворенным в растворе. Распространение окисленной формы челнока на противоэлектрод замыкает цепь.

Механизм DSSC

Следующие шаги преобразуют фотоны (свет) в обычном DSSC n-типа в ток:

  1. Падающий фотон поглощается фотосенсибилизатором (например, комплексом Ru), адсорбированным на поверхности TiO 2 .
  2. Фотосенсибилизаторы возбуждаются из основного состояния (S) в возбужденное состояние (S ∗ ). Возбужденные электроны инжектируются в зону проводимости TiO 2 электрода. Это приводит к окислению фотосенсибилизатора (S + ).
  3. Инжектированные электроны в зоне проводимости TiO 2 переносятся между наночастицами TiO 2 с диффузией к заднему контакту (TCO). И электроны, наконец, достигают по цепи противоэлектрода.
  4. Окисленный фотосенсибилизатор (S + ) принимает электроны от окислительно-восстановительного медиатора, обычно окислительно-восстановительного медиатора I — иона, что приводит к регенерации основного состояния (S), а два I — -иона окисляются до элементарного йода, который реагирует с I — на окисленное состояние, I 3 — .

    Окисленный окислительно-восстановительный медиатор I 3 — диффундирует к противоэлектроду, а затем восстанавливается до ионов I — .

    Эффективность DSSC зависит от четырех уровней энергии компонента: возбужденного состояния (приблизительно LUMO ) и основного состояния (HOMO) фотосенсибилизатора, уровня Ферми электрода TiO 2 и окислительно-восстановительного потенциала медиатора (I — / I 3 — ) в электролите.

    Морфология, похожая на наноплант

    В DSSC электроды состояли из спеченных полупроводниковых наночастиц, в основном TiO 2 или ZnO. Эти DSSC наночастиц полагаются на диффузию, ограниченную ловушкой, через полупроводниковые наночастицы для переноса электронов. Это ограничивает эффективность устройства, поскольку это медленный транспортный механизм. Рекомбинация более вероятна при более длинных волнах излучения. Кроме того, для спекания наночастиц требуется высокая температура около 450 ° C, что ограничивает производство этих ячеек надежными, жесткими твердыми подложками. Было доказано, что эффективность DSSC повышается, если электрод из спеченных наночастиц заменяется специально разработанным электродом, имеющим экзотическую морфологию, подобную наночастицам.

    Операция

    В обычном DSSC n-типа солнечный свет проникает в ячейку через прозрачный верхний контакт SnO 2 : F, ударяя красителем по поверхности TiO 2 . Фотоны, падающие на краситель с энергией, достаточной для поглощения, создают возбужденное состояние красителя, из которого электрон может быть «инжектирован» непосредственно в зону проводимости TiO 2 . Оттуда он движется диффузией (в результате градиента концентрации электронов ) к прозрачному аноду наверху.

    Между тем, молекула красителя потеряла электрон, и молекула распадется, если другой электрон не будет предоставлен. Краситель отделяет один от йодида в электролите ниже TiO 2 , окисляя его до трииодида . Эта реакция происходит довольно быстро по сравнению со временем, которое требуется инжектированному электрону для рекомбинации с окисленной молекулой красителя, предотвращая эту реакцию рекомбинации, которая может эффективно замкнуть солнечный элемент.

    Затем трииодид восстанавливает свой недостающий электрон путем механической диффузии на дно ячейки, где противоэлектрод повторно вводит электроны после прохождения через внешнюю цепь.

    Эффективность

    Для характеристики солнечных элементов используется несколько важных мер. Наиболее очевидным является общее количество электроэнергии, произведенной для данного количества солнечной энергии, освещенной элементом. В процентах это называется эффективностью преобразования солнечной энергии . Электрическая мощность — это произведение тока и напряжения, поэтому максимальные значения для этих измерений также важны, J sc и V oc соответственно. Наконец, чтобы понять физику, лежащую в основе, «квантовая эффективность» используется для сравнения вероятности того, что один фотон (с определенной энергией) создаст один электрон.

    С точки зрения квантовой эффективности DSSC чрезвычайно эффективны. Из-за их «глубины» в наноструктуре очень высока вероятность того, что фотон будет поглощен, а красители очень эффективно преобразовывают их в электроны. Большинство небольших потерь, которые действительно существуют в DSSC, вызваны потерями проводимости в TiO 2 и чистом электроде или оптическими потерями в переднем электроде. Общая квантовая эффективность зеленого света составляет около 90%, при этом «потерянные» 10% в основном объясняются оптическими потерями в верхнем электроде. Квантовая эффективность традиционных конструкций различается в зависимости от их толщины, но примерно такая же, как у DSSC.

    Теоретически максимальное напряжение, создаваемое такой ячейкой, представляет собой просто разницу между ( квази -) уровнем Ферми TiO 2 и окислительно-восстановительным потенциалом электролита, составляющим около 0,7 В в условиях солнечного освещения (V oc ). То есть, если подсвечиваемый DSSC подключен к вольтметру в «разомкнутой цепи», он будет показывать около 0,7 В. Что касается напряжения, то DSSC предлагают немного более высокое значение V oc, чем кремниевые, около 0,7 В по сравнению с 0,6 В. Это довольно небольшая разница, поэтому в реальных условиях преобладает текущее производство, J sc .

    Хотя краситель очень эффективен при преобразовании поглощенных фотонов в свободные электроны в TiO 2 , только фотоны, поглощенные красителем, в конечном итоге создают ток. Скорость поглощения фотонов зависит от спектра поглощения сенсибилизированного слоя TiO 2 и от спектра солнечного потока. Перекрытие этих двух спектров определяет максимально возможный фототок. Обычно используемые молекулы красителя обычно имеют более низкое поглощение в красной части спектра по сравнению с кремнием, что означает, что меньшее количество фотонов в солнечном свете можно использовать для генерации тока. Эти факторы ограничивают ток , генерируемый в DSSC, для сравнения, традиционный основе кремния клеток предлагает солнечные около 35 м / см 2 , в то время как ток DSSCs предлагают около 20 мА / см 2 .

    Общая пиковая эффективность преобразования мощности для современных DSSC составляет около 11%. Текущий рекорд по прототипам составляет 15%.

    Деградация

    DSSC разрушаются под воздействием ультрафиолетового излучения. В 2014 году инфильтрация воздуха в обычно используемый аморфный слой переноса дырок Spiro-MeOTAD была определена как основная причина деградации, а не окисления. Повреждения можно было избежать, добавив соответствующий барьер.

    Барьерный слой может включать УФ-стабилизаторы и / или УФ-поглощающие люминесцентные хромофоры (которые излучают на более длинных волнах, которые могут быть повторно поглощены красителем) и антиоксиданты для защиты и повышения эффективности клетки.

    Преимущества

    DSSC в настоящее время являются наиболее эффективными солнечными технологиями третьего поколения (2005 г., базовые исследования использования солнечной энергии 16). Другие тонкопленочные технологии обычно составляют от 5% до 13%, а традиционные недорогие коммерческие кремниевые панели работают от 14% до 17%. Это делает DSSC привлекательными в качестве замены существующих технологий в приложениях с «низкой плотностью», таких как солнечные коллекторы на крыше, где механическая прочность и легкий вес бесстеклянного коллектора являются основным преимуществом. Они могут быть не столь привлекательными для крупномасштабных развертываний, где более жизнеспособны более дорогие и более эффективные соты, но даже небольшое увеличение эффективности преобразования DSSC может сделать их подходящими для некоторых из этих ролей.

    Есть еще одна область, в которой DSSC особенно привлекательны. Процесс инжекции электрона непосредственно в TiO 2 качественно отличается от того, что происходит в традиционной ячейке, где электрон «продвигается» внутри исходного кристалла. Теоретически, учитывая низкие темпы производства, высокоэнергетический электрон в кремнии может повторно объединиться со своей собственной дыркой, испуская фотон (или другую форму энергии), что не приведет к генерации тока. Хотя этот частный случай может быть не обычным, электрон, генерируемый другим атомом, довольно легко объединиться с дыркой, оставшейся после предыдущего фотовозбуждения.

    Для сравнения, процесс инжекции, используемый в DSSC, не вводит дырку в TiO 2 , только дополнительный электрон. Хотя для электрона энергетически возможно рекомбинировать обратно в краситель, скорость, с которой это происходит, довольно мала по сравнению со скоростью, с которой краситель восстанавливает электрон из окружающего электролита. Рекомбинация непосредственно из TiO 2 с частицами в электролите также возможна, хотя, опять же, для оптимизированных устройств эта реакция довольно медленная. Напротив, перенос электронов от покрытого платиной электрода к частицам в электролите обязательно происходит очень быстро.

    В результате такой благоприятной «дифференциальной кинетики» DSSC работают даже в условиях низкой освещенности. Таким образом, DSSC могут работать в облачном небе и под прямыми солнечными лучами, тогда как традиционные конструкции будут иметь «вырез» на некотором нижнем пределе освещенности, когда подвижность носителей заряда низкая и рекомбинация становится серьезной проблемой. Отсечка настолько низкая, что их предлагают даже для использования внутри помещений, собирая энергию для небольших устройств от светильников в доме.

    Практическое преимущество, которое DSSC разделяет с большинством тонкопленочных технологий, заключается в том, что механическая прочность ячейки косвенно приводит к более высокой эффективности при более высоких температурах. В любом полупроводнике повышение температуры будет «механически» продвигать часть электронов в зону проводимости. Хрупкость традиционных кремниевых элементов требует, чтобы они были защищены от элементов, обычно заключая их в стеклянный ящик, похожий на теплицу , с металлической основой для прочности. Эффективность таких систем заметно снижается из-за внутреннего нагрева элементов. DSSC обычно строятся только с тонким слоем проводящего пластика на переднем слое, что позволяет им намного легче отводить тепло и, следовательно, работать при более низких внутренних температурах.

    Недостатки

    Основным недостатком конструкции DSSC является использование жидкого электролита, который имеет проблемы с температурной стабильностью. При низких температурах электролит может замерзнуть, что приведет к остановке выработки электроэнергии и, возможно, к физическому повреждению. Более высокие температуры вызывают расширение жидкости, что создает серьезную проблему с герметизацией панелей. Другой недостаток заключается в том, что для изготовления DSSC требуются дорогостоящие рутений (краситель), платина (катализатор) и проводящее стекло или пластик (контакт). Третий серьезный недостаток состоит в том, что раствор электролита содержит летучие органические соединения (или ЛОС) , растворители, которые необходимо тщательно закрывать, поскольку они опасны для здоровья человека и окружающей среды. Это, наряду с тем фактом, что растворители проникают в пластик, препятствует крупномасштабному применению на открытом воздухе и интеграции в гибкую структуру.

    Замена жидкого электролита твердым является основной областью постоянных исследований. Недавние эксперименты с использованием затвердевших расплавленных солей показали некоторые надежды, но в настоящее время они страдают от более высокой деградации во время непрерывной работы и не являются гибкими.

    Фотокатоды и тандемные ячейки

    Сенсибилизированные красителем солнечные элементы работают как фотоанод (n-DSC), где фототок возникает в результате инжекции электронов сенсибилизированным красителем. Фотокатоды (p-DSC) работают в обратном режиме по сравнению с обычным n-DSC, где за возбуждением красителя следует быстрый перенос электронов от полупроводника p-типа к красителю (инжекция сенсибилизированных красителем дырок вместо инжекции электронов) . Такие p-DSC и n-DSC могут быть объединены для создания тандемных солнечных элементов (pn-DSC), и теоретическая эффективность тандемных DSC намного превосходит эффективность однопереходных DSC.

    Стандартная тандемная ячейка состоит из одного n-DSC и одного p-DSC в простой сэндвич-конфигурации с промежуточным слоем электролита. n-DSC и p-DSC соединены последовательно, что означает, что результирующий фототок будет контролироваться самым слабым фотоэлектродом, в то время как фотонапряжения являются аддитивными. Таким образом, согласование фототока очень важно для создания высокоэффективных тандемных pn-DSC. Однако, в отличие от n-DSC, быстрая рекомбинация заряда после инъекции сенсибилизированных красителем дырок обычно приводила к низким фототокам в p-DSC и, таким образом, снижала эффективность всего устройства.

    Исследователи обнаружили, что использование красителей, содержащих периленмоноимид (PMI) в качестве акцептора и олиготиофен, связанный с трифениламином в качестве донора, значительно улучшает характеристики p-DSC за счет снижения скорости рекомбинации заряда после инъекции сенсибилизированной красителем дырки. Исследователи сконструировали тандемное устройство ДСК с NiO на стороне p-DSC и TiO 2 на стороне n-DSC. Согласование фототока было достигнуто за счет регулировки толщины пленок NiO и TiO 2 для управления оптическим поглощением и, следовательно, согласования фототоков обоих электродов. Эффективность преобразования энергии устройства составляет 1,91%, что превышает эффективность его отдельных компонентов, но все же намного ниже, чем у высокопроизводительных устройств n-DSC (6–11%). Результаты все еще многообещающие, поскольку тандемный DSC сам по себе был в зачаточном состоянии. Резкое улучшение производительности p-DSC может в конечном итоге привести к тандемным устройствам с гораздо большей эффективностью, чем одиночные n-DSC.

    Как упоминалось ранее, использование твердотельного электролита имеет несколько преимуществ по сравнению с жидкой системой (например, отсутствие утечки и более быстрый перенос заряда), что также было реализовано для сенсибилизированных красителем фотокатодов. Используя материалы для переноса электронов, такие как PCBM, TiO 2 и ZnO, вместо обычного жидкого электролита с окислительно-восстановительной парой, исследователям удалось изготовить твердотельные p-DSC (p-ssDSC), стремясь получить твердотельные сенсибилизированные тандемным красителем солнечные элементы, которые имеют потенциал для достижения гораздо более высоких фотоэдс, чем жидкостное тандемное устройство.

    Разработка

    Красители, использованные в первых экспериментальных ячейках (около 1995 г.), были чувствительны только в высокочастотном конце солнечного спектра, в УФ и синем. Быстро были представлены более новые версии (около 1999 г.), которые имели гораздо более широкую частотную характеристику, особенно «трискарбокси-рутениевый терпиридин» [Ru (4,4 ‘, 4 »- (COOH) 3- терпи) (NCS) 3 ], который является эффективным прямо в низкочастотный диапазон красного и инфракрасного света. Широкий спектральный отклик приводит к тому, что краситель имеет глубокий коричнево-черный цвет и называется просто «черный краситель». Красители имеют отличные шансы на преобразование фотона в электрон, первоначально около 80%, но улучшаясь до почти идеального преобразования в более новых красителях, общая эффективность составляет около 90%, при этом «потерянные» 10% в значительной степени объясняются оптическими потерями в верхнем электроде.

    Солнечный элемент должен быть способен производить электричество в течение как минимум двадцати лет без значительного снижения эффективности ( срока службы ). Система «черного красителя» была подвергнута 50 миллионам циклов, что эквивалентно десяти годам пребывания на солнце в Швейцарии. Заметного снижения производительности не наблюдалось. Однако краситель подвержен разрушению в условиях высокой освещенности. За последнее десятилетие была проведена обширная исследовательская программа для решения этих проблем. Новые красители включали тетроцианоборат 1-этил-3 метилимидазолия [EMIB (CN) 4 ], который чрезвычайно свето- и термостабилен, медь-диселен [Cu (In, GA) Se 2 ], который обеспечивает более высокую эффективность преобразования, и другие с различные специальные свойства.

    DSSC все еще находятся в начале своего цикла разработки. Повышение эффективности возможно, и недавно были начаты более широкие исследования. К ним относятся использование квантовых точек для преобразования света с более высокой энергией (более высокой частоты) в несколько электронов, использование твердотельных электролитов для лучшего температурного отклика и изменение легирования TiO 2 для лучшего согласования с используемым электролитом.

    Новые разработки

    2003 г.

    Группа исследователей из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL), как сообщается, повысила термостабильность ДСК с помощью амфифильного рутениевого сенсибилизатора в сочетании с квазитвердым гелевым электролитом. Стабильность устройства соответствует стабильности обычного солнечного элемента на основе неорганического кремния. Ячейка выдерживала нагрев 1000 ч при 80 ° C.

    Группа ранее приготовила рутениевый амфифильный краситель Z-907 (цис-Ru (H 2 dcbpy) (dnbpy) (NCS) 2 , где лиганд H 2 dcbpy представляет собой 4,4′-дикарбоновую кислоту-2,2′-бипиридин и dnbpy представляет собой 4,4′-динонил-2,2′-бипиридин) для повышения устойчивости красителей к воде в электролитах. Кроме того, группа также подготовила квази-твердотельный гель электролит с 3-метоксипропионитрил (MPN) основой жидкого электролита , который затвердевает с помощью фотохимической стабильного полимера фтора, поливинилиденфторид -CO- гексафторпропилен (ПВДФ-ГФП).

    Использование амфифильного красителя Z-907 в сочетании с полимерным гелевым электролитом в ДСК позволило достичь эффективности преобразования энергии 6,1%. Что еще более важно, устройство было устойчивым к тепловому стрессу и воздействию света. Высокая эффективность преобразования ячейки сохранялась после нагревания в течение 1000 ч при 80 ° C, сохраняя 94% от исходного значения. После ускоренного тестирования в имитаторе солнечного в течение 1000 ч свет выдержки при 55 ° C (100 мВт см -2 ) эффективность снизилась менее чем на 5% для клеток , покрытых ультрафиолетовой абсорбирующей полимерной пленкой. Эти результаты находятся в пределах пределов традиционных неорганических кремниевых солнечных элементов.

    Повышенная производительность может быть результатом уменьшения проникновения растворителя через герметик из-за нанесения полимерного гелевого электролита. Полимерный гелевый электролит является квазитвердым при комнатной температуре и становится вязкой жидкостью (вязкость: 4,34 мПа · с) при 80 ° C по сравнению с традиционным жидким электролитом (вязкость: 0,91 мПа · с). Значительно улучшенная стабильность устройства как при тепловом стрессе, так и при воздействии света никогда ранее не наблюдалась в DSC, и они соответствуют критериям долговечности, применяемым к солнечным элементам для использования вне помещений, что делает эти устройства жизнеспособными для практического применения.

    2006 г.

    Сообщалось о первых успешных твердо-гибридных сенсибилизированных красителем солнечных элементах.

    Чтобы улучшить перенос электронов в этих солнечных элементах, сохраняя при этом большую площадь поверхности, необходимую для адсорбции красителя, два исследователя разработали альтернативные морфологии полупроводников, такие как массивы нанопроволок и комбинацию нанопроволок и наночастиц , чтобы обеспечить прямой путь к электроду через зона проводимости полупроводника. Такие структуры могут предоставить средства для улучшения квантовой эффективности DSSC в красной области спектра, где их производительность в настоящее время ограничена.

    В августе 2006 года, чтобы доказать химическую и термическую стойкость солнечного элемента из тетрацианобората 1-этил-3 метилимидазолия, исследователи подвергли устройства нагреванию при 80 ° C в темноте в течение 1000 часов с последующей выдержкой на свету при 60 ° C в течение 1000 часов. После нагревания в темноте и выдержки на свету сохранялось 90% начальной фотоэлектрической эффективности — впервые такая превосходная термическая стабильность наблюдалась для жидкого электролита, демонстрирующего такую ​​высокую эффективность преобразования. В отличие от кремниевых солнечных элементов , характеристики которых ухудшаются с повышением температуры, сенсибилизированные красителем устройства солнечных элементов лишь незначительно повлияли на повышение рабочей температуры от окружающей до 60 ° C.

    Апрель 2007 г.

    Уэйн Кэмпбелл из Университета Мэсси , Новая Зеландия, экспериментировал с широким спектром органических красителей на основе порфирина . В природе порфирин является основным строительным блоком гемопротеинов , которые включают хлорофилл у растений и гемоглобин у животных. Он сообщает об эффективности использования этих недорогих красителей порядка 5,6%.

    Июнь 2008 г.

    В статье, опубликованной в Nature Materials, продемонстрирована эффективность элементов питания 8,2% с использованием нового жидкого окислительно-восстановительного электролита, не содержащего растворителей, состоящего из расплава трех солей, в качестве альтернативы использованию органических растворителей в качестве раствора электролита. Хотя эффективность этого электролита меньше 11%, обеспечиваемых существующими растворами на основе йода, команда уверена, что эффективность можно повысить.

    2009 г.

    Группа исследователей из Технологического института Джорджии создала сенсибилизированные красителем солнечные элементы с более высокой эффективной площадью поверхности , обернув их вокруг кварцевого оптического волокна . Исследователи удалили оболочку с оптических волокон, вырастили нанопроволоки из оксида цинка по поверхности, обработали их молекулами красителя, окружили волокна электролитом и металлической пленкой, которая уносит электроны с волокна. Эти элементы в шесть раз более эффективны, чем элементы из оксида цинка с той же площадью поверхности. Фотоны отражаются внутри волокна во время движения, поэтому у них больше шансов взаимодействовать с солнечным элементом и производить больший ток. Эти устройства собирают свет только на концах, но будущие оптоволоконные ячейки могут быть сделаны так, чтобы поглощать свет по всей длине волокна, что потребует покрытия, которое будет как проводящим, так и прозрачным . Макс Штейн из Мичиганского университета сказал, что для таких клеток не нужна система слежения за солнцем , и она будет работать в пасмурные дни, когда свет рассеян.

    2010 г.

    Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны и Университета Квебека в Монреале утверждают, что сумели преодолеть две основные проблемы DSC:

    • Для электролита были созданы «новые молекулы» , в результате чего жидкость или гель являются прозрачными и не вызывают коррозии, что может увеличить фотонапряжение и улучшить выходную мощность и стабильность элемента.
    • На катоде платину заменили сульфидом кобальта , который намного дешевле, более эффективен, более стабилен и его легче производить в лаборатории.

    2011 г.

    Dyesol и Tata Steel Europe объявили в июне о разработке самого большого в мире сенсибилизированного красителями фотоэлектрического модуля, который непрерывно печатает на стали.

    Dyesol и CSIRO объявили в октябре об успешном завершении второго этапа совместного проекта Dyesol / CSIRO. Директор Dyesol Гордон Томпсон сказал: «Материалы, разработанные в ходе этого совместного сотрудничества, могут значительно продвинуть коммерциализацию DSC в ряде приложений, где производительность и стабильность являются важными требованиями. Dyesol чрезвычайно воодушевлен достижениями в химии, позволяющими производить целевых молекул. Это открывает путь к немедленному коммерческому использованию этих новых материалов ».

    Dyesol и Tata Steel Europe объявили в ноябре о целевом развитии солнечной стали BIPV, которая не требует субсидируемых государством льготных тарифов. Кровля TATA-Dyesol «Solar Steel» в настоящее время монтируется в Центре экологичных строительных конструкций (SBEC) в Шоттоне, Уэльс.

    2012 г.

    Исследователи Северо-Западного университета объявили о решении основной проблемы DSSC, а именно трудностей с использованием и удержанием жидкого электролита и, как следствие, относительно короткого срока службы устройства. Это достигается за счет использования нанотехнологий и преобразования жидкого электролита в твердый. Текущий КПД примерно вдвое меньше, чем у кремниевых элементов, но они легкие и потенциально имеют гораздо более низкую стоимость производства.

    В течение последних 5–10 лет был разработан новый вид DSSC — твердотельный сенсибилизированный красителем солнечный элемент. В этом случае жидкий электролит заменяется одним из нескольких материалов, проводящих твердые дырки. С 2009 по 2013 год эффективность твердотельных DSSC резко выросла с 4% до 15%. Майкл Гретцель объявил о производстве твердотельных DSSC с эффективностью 15,0%, достигаемой с помощью гибридного перовскитного красителя CH 3 NH 3 PbI 3 , впоследствии осажденного из разделенных растворов CH 3 NH 3 I и PbI 2 .

    Первая архитектурная интеграция была продемонстрирована на EPFL «s SwissTech Convention Center в партнерстве с Romande Energie. Общая площадь составляет 300 м 2 , в 1400 модулях 50 см x 35 см. Дизайн художники Даниэль Шлепфер и Кэтрин Болле.

    2018 г.

    Исследователи изучили роль поверхностных плазмонных резонансов, присутствующих на золотых наностержнях, в работе сенсибилизированных красителем солнечных элементов. Они обнаружили, что с увеличением концентрации наностержней поглощение света растет линейно; однако извлечение заряда также зависело от концентрации. При оптимизированной концентрации они обнаружили, что общая эффективность преобразования энергии улучшилась с 5,31 до 8,86% для сенсибилизированных красителем солнечных элементов Y123.

    Синтез одномерных наноструктур TiO 2 непосредственно на подложках из стекла из оксида олова, легированного фтором, был успешно продемонстрирован с помощью двухступенчатой сольвотермической реакции. Кроме того, через TiO 2 обработки золя, производительность двойной TiO 2 нанопроводов клеток была увеличена, достигая повышение эффективности преобразования мощности 7,65%.

    Сообщалось, что противоэлектроды на основе нержавеющей стали для DSSC дополнительно снижают стоимость по сравнению с обычным противоэлектродом на основе платины и подходят для наружного применения.

    Исследователи из EPFL усовершенствовали DSSC, основанные на окислительно-восстановительных электролитах комплексов меди , которые достигли эффективности 13,1% при стандартных условиях AM1.5G, 100 мВт / см 2 и рекордной эффективности 32% при освещении в помещении 1000 люкс.

    Исследователи из Уппсальского университета использовали полупроводники n-типа вместо окислительно-восстановительного электролита для изготовления твердотельных солнечных элементов, сенсибилизированных красителем p-типа.

    Введение на рынок

    Некоторые коммерческие провайдеры обещают появление DSC в ближайшем будущем:

    Источник

    Оцените статью
    © 2024 Источники питания