Barvivo-senzibilizované solární články

V pozdní 1960 bylo zjištěno, že osvětlené organických barviv může generovat elektřinu na oxid elektrody v elektrochemické buňky. Ve snaze porozumět a simulovat primární procesy ve fotosyntéze byl tento jev studován na Kalifornské univerzitě v Berkeley pomocí chlorofylu extrahovaného ze špenátu (bio-mimetický nebo bionický přístup). Na základě těchto experimentů byla v roce 1972 demonstrována a diskutována výroba elektrické energie pomocí principu senzibilizace solárních článků (DSSC). Nestabilita solárního článku barviva byla identifikována jako hlavní výzva. Jeho účinnost by mohla být během následujících dvou desetiletí zlepšena optimalizací pórovitosti elektrody připravené z prášku jemného oxidu, ale nestabilita zůstala problémem.

moderní DSSC typu n, nejběžnější typ DSSC, se skládá z porézní vrstvy nanočástic oxidu titaničitého, pokryté molekulárním barvivem, které absorbuje sluneční světlo, jako je chlorofyl v zelených listech. Oxid titaničitý je ponořen do roztoku elektrolytu, nad kterým je katalyzátor na bázi platiny. Stejně jako u běžné alkalické baterie jsou anoda (oxid titaničitý) a katoda (platina) umístěny na obou stranách kapalného vodiče (elektrolytu).

pracovní princip pro DSSC typu n lze shrnout do několika základních kroků. Sluneční světlo prochází průhlednou elektrodou do vrstvy barviva, kde může vzrušovat elektrony, které pak proudí do vodivého pásma polovodiče typu N, typicky oxidu titaničitého. Elektrony z oxidu titaničitého pak proudí směrem k průhledné elektrodě, kde jsou shromažďovány pro napájení zátěže. Po proudí přes vnější obvod, jsou re-zavedena do buňky na kovové elektrody na zadní straně, také známý jako proti elektrody a proud do elektrolytu. Elektrolyt pak transportuje elektrony zpět do molekul barviva a regeneruje oxidované barvivo.

výše uvedený základní pracovní princip je podobný v DSSC typu p, kde polovodič citlivý na barviva má povahu typu p (typicky oxid nikelnatý). Namísto vstřikování elektronu do polovodiče však v DSSC typu p proudí díra z barviva do valenčního pásma polovodiče typu p.

solární články senzibilizované barvivem oddělují dvě funkce poskytované křemíkem v tradičním designu buněk. Normálně křemík působí jako zdroj fotoelektronů, stejně jako poskytuje elektrické pole pro oddělení nábojů a vytvoření proudu. V dye-senzibilizované solární články, část polovodiče se používá pouze pro nabíjení dopravy, elektronů jsou poskytovány ze samostatné fotosenzitivní barvivo. Oddělení náboje probíhá na površích mezi barvivem, polovodičem a elektrolytem.

molekuly barviva jsou poměrně malé (nanometrové velikosti), takže pro zachycení přiměřeného množství přicházejícího světla musí být vrstva molekul barviva poměrně silná, mnohem silnější než samotné molekuly. K řešení tohoto problému se nanomateriál používá jako lešení k držení velkého počtu molekul barviva v 3-D matrici, čímž se zvyšuje počet molekul pro danou povrchovou plochu buňky. Ve stávajících konstrukcích je toto lešení zajištěno polovodičovým materiálem, který slouží dvojí službě.

Counter Elektroda MaterialsEdit

Jednou z nejdůležitějších složek DSSC je pult elektrody. Jak bylo uvedeno dříve, pult elektroda je zodpovědný za sběr elektrony z vnějšího obvodu a jejich zavedení zpět do elektrolytu katalyzují redukční reakce oxidačně-redukční kyvadlová doprava, obecně I3 – já-. Tak, to je důležité pro counter elektrody mají nejen vysoké elektronové vodivosti a difuzní schopnost, ale také elektrochemickou stabilitu, vysokou katalytickou aktivitu a vhodnou pásovou strukturu. Nejběžnějším materiálem proti elektrodám, který se v současné době používá, je platina v DSSC, ale není udržitelná kvůli vysokým nákladům a vzácným zdrojům. Tak, hodně výzkum byl zaměřen na objevování nových hybridních a dopovaných materiálů, které mohou nahradit platinum s srovnatelné nebo lepší electrocatalytic výkon. Tyto kategorie jsou široce studovány zahrnuje chalcogen sloučeniny kobaltu, niklu a železa (CCNI), a to zejména účinky na morfologii, stechiometrie, a součinnost na výsledný výkon. Bylo zjištěno, že kromě elementárního složení materiálu tyto tři parametry výrazně ovlivňují výslednou účinnost protielektrod. V současné době se samozřejmě zkoumá řada dalších materiálů, jako jsou vysoce mezoporózní uhlíky, materiály na bázi cínu, zlaté nanostruktury a nanokrystaly na bázi olova. Následující část však sestavuje řadu probíhajících výzkumných snah, které se konkrétně týkají CCNI k optimalizaci výkonu čítače elektrod DSSC.

MorphologyEdit

I s stejné složení, morfologie nanočástic, které tvoří pult elektroda hrát jako nedílnou roli při určování účinnosti celkové fotovoltaické. Protože materiál je electrocatalytic potenciál je vysoce závislá na množství plochy k dispozici pro usnadnění šíření a snížení redox druhů, četné výzkumné úsilí zaměřili k pochopení a optimalizaci morfologie nanostruktur pro DSSC pult elektrody.

v roce 2017, Huang et al. využity různé povrchově aktivní látky v mikroemulzi-asistované hydrotermální syntéza CoSe2/CoSeO3 kompozitní krystaly vyrábět nanocubes, nanorods a nanočástic. Srovnání těchto tří morfologií bylo zjištěno, že hybridní kompozitní nanočástice, díky které mají největší electroactive povrchu, měl nejvyšší výkon účinnost konverze 9.27%, dokonce vyšší než její platinum protějšek. Nejen, že morfologie nanočástic zobrazí nejvyšší vrchol proudovou hustotu a nejmenší potenciální rozdíl mezi anodickou a katodickou peak potenciálů, což znamená nejlepší electrocatalytic schopnosti.

s podobnou studií, ale s jiným systémem, Du et al. v roce 2017 stanoveno, že ternární oxid NiCo2O4 měl největší výkon účinnost konverze a electrocatalytic schopnost jako nanoflowers, když ve srovnání s nanorods nebo nanosheets. Du et al. uvědomil si, že zkoumání různých růstových mechanismů, které pomáhají využívat větší aktivní povrchové plochy nanovláken, může poskytnout otvor pro rozšíření aplikací DSSC do dalších oblastí.

StoichiometryEdit

samozřejmě, složení materiálu, která je použita jako čítač elektrody je velmi důležité pro vytvoření pracovní fotovoltaické, jako valenční a vedení energetické pásy se musí překrývat s těmi, redox elektrolytu druhů, aby umožnily efektivní elektronové výměně.

v roce 2018, Jin et al. připravené ternární nikl, kobalt a selen (NixCoySe) filmů na různé stechiometrické poměry niklu a kobaltu pochopit jeho dopad na výsledné mobilní výkon. Nikl a kobalt bimetalické slitiny bylo známo, že mají vynikající elektronová vodivost a stabilitu, takže optimalizace jeho stechiometrie by v ideálním případě produkovat více efektivní a stabilní mobilní výkon než jeho jednotlivě kovové protějšky. Takový je výsledek, který Jin et al. našel, jako Ni0.12Co0.80Se dosaženo vynikající výkon účinnost konverze (8.61%), nižší poplatek převod impedance a vyšší electrocatalytic schopnosti, než oba jeho platinové a binární selenidu protějšky.

SynergyEdit

Poslední oblastí, která byla aktivně studována, je synergie různých materiálů při podpoře vynikajícího elektroaktivního výkonu. Ať už prostřednictvím různých starosti dopravu materiálu, elektrochemické druhů, nebo morfologií, využívající synergický vztah mezi různými materiály vydláždila cestu pro ještě novější čítač elektrodové materiály.

v roce 2016, Lu et al. smíšené mikročástice sulfidu nikelnatého kobaltu se sníženými nanoflaky oxidu grafenu (rGO) pro vytvoření protielektrody. Lu et al. zjistili, že nejen, že rGO se choval jako ko-katalyzátor v urychlení triiodide snížení, ale také to, že mikročástice a rGO měl synergické interakce, která snížila poplatek převod odolnost celého systému. I když účinnost tohoto systému byla mírně nižší, než je jeho platinový analog (účinnost NCS/rGO system: 8.96%; účinnost Pt systém: 9.11%), poskytla platformu, na které dále může být výzkum prováděn.

ConstructionEdit

v případě původního Grätzelova a o ‚ Reganova návrhu má buňka 3 primární části. Nahoře je průhledná anoda vyrobená z fluoridem dopovaného oxidu cínu (SnO2:F) uloženého na zadní straně (typicky skleněné) desky. Na zadní straně této vodivé desky je tenká vrstva oxidu titaničitého (TiO2), která se tvoří do vysoce porézní struktury s extrémně vysokou povrchovou plochou. (TiO2) je chemicky vázán procesem zvaným slinování. TiO2 absorbuje pouze malou část solárních fotonů (ty v UV). Destička se pak ponoří do směsi fotosenzitivního ruthenium-polypyridylového barviva (nazývaného také molekulární senzibilizátory) a rozpouštědla. Po namočení filmu v roztoku barviva je tenká vrstva barviva ponechána kovalentně vázána na povrch TiO2. Vazba je buď ester, chelatační, nebo bidentát překlenovací vazba.

samostatné desce je pak vyroben s tenkou vrstvou jodidu elektrolytu šíří přes vodivé list, obvykle platinový kov. Obě desky jsou pak spojeny a utěsněny dohromady, aby se zabránilo úniku elektrolytu. Konstrukce je natolik jednoduchá, že jsou k dispozici hobby soupravy pro ruční konstrukci. Přestože používají řadu „pokročilých“ materiálů, jsou levné ve srovnání s křemíkem potřebným pro normální buňky, protože nevyžadují žádné drahé výrobní kroky. TiO2, například, je již široce používán jako základ barvy.

jedno z účinných zařízení DSSCs používá molekulární barvivo na bázi ruthenia, např. (N3), které je vázáno na fotoanod prostřednictvím karboxylátových skupin. Na photoanode se skládá z 12 µm silná fólie transparentní 10-20 nm průměr TiO2 nanočástice pokryté 4 µm silný film mnohem větší (400 nm v průměru) částice, které rozptylují fotony zpět do průhledné fólie. Excitované barvivo rychle vstřikuje elektron do TiO2 po absorpci světla. Injektovaných elektronů se šíří přes slinuté částice sítě, které mají být shromažďovány na přední straně transparentní vodivý oxid (TCO) elektrodou, zatímco barvivo je regenerován prostřednictvím snížení redox kyvadlová doprava, I3−/I−, rozpuštěného v roztoku. Difúze oxidované formy raketoplánu na protielektrodu dokončí obvod.

Mechanismus DSSCsEdit

následující kroky převést v běžné n-typu DSSC fotony (světlo) proud:

účinnosti DSSC záleží na čtyři energetické hladiny součásti: excitovaného stavu (přibližně LUMO) a základního stavu (HOMO) fotosenzibilizátor, Fermiho úroveň TiO2 elektrody a redox potenciálu mediátora (I−/I3−) v elektrolytu.

morfologie podobná Nanoplantům

v DSSC se elektrody skládaly ze slinutých polovodičových nanočástic, hlavně TiO2 nebo ZnO. Tyto Nanočásticové DSSC se spoléhají na difúzi omezenou pastí přes polovodičové nanočástice pro transport elektronů. To omezuje účinnost zařízení, protože se jedná o pomalý transportní mechanismus. Rekombinace je pravděpodobnější při delších vlnových délkách záření. Navíc slinování nanočástic vyžaduje vysokou teplotu asi 450 °C, což omezuje výrobu těchto buněk na robustní, tuhé pevné substráty. Bylo prokázáno, že dochází ke zvýšení účinnosti DSSC, pokud slinuté nanočástic elektroda je nahrazena speciálně konstruované elektrody, mající exotické ‚nanoplant-jako‘ morfologie.

OperationEdit

V konvenčním n-typu DSSC, sluneční světlo vstupuje do buňky přes průhledné SnO2:F horní kontakt, výrazné barvivo na povrchu TiO2. Fotony zarážející, barvivo dostatek energie, aby se vstřebává vytvoření excitovaného stavu barviva, ze kterých může elektron být „aplikován“ přímo do vedení kapely z TiO2. Odtud se pohybuje difúzí (v důsledku gradientu koncentrace elektronů) k čiré anodě nahoře.

mezitím molekula barviva ztratila elektron a molekula se rozloží, pokud není poskytnut jiný elektron. Barvivo se zbaví jodidu v elektrolytu pod TiO2 a oxiduje ho na trijodid. Tato reakce se vyskytuje poměrně rychle ve srovnání s časem, který potřebuje injekci elektronů pro rekombinaci s oxidované barvivo molekuly, zabraňuje tato rekombinace reakci, která by účinně zkratu solárního článku.

triiodide pak obnoví svůj chybějící elektron tím, že mechanicky se šířit do spodní části buňky, kde pult elektroda re-představí elektrony po proudí přes vnější obvod.

EfficiencyEdit

několik důležitých opatření se používá k charakterizaci solárních článků. Nejviditelnější je celkové množství elektrické energie vyrobené pro dané množství sluneční energie svítící na buňku. Vyjádřeno v procentech, toto je známé jako účinnost solární konverze. Elektrická energie je součinem proudu a napětí, proto jsou důležité i maximální hodnoty pro tato měření, respektive Jsc a Voc. Konečně, abychom pochopili základní fyziku, „kvantová účinnost“ se používá k porovnání šance, že jeden foton (konkrétní energie) vytvoří jeden elektron.

z hlediska kvantové účinnosti jsou DSSC extrémně účinné. Vzhledem k jejich „hloubce“ v nanostruktuře existuje velmi vysoká šance, že foton bude absorbován a barviva jsou velmi účinná při jejich přeměně na elektrony. Většina malých ztrát, které existují v DSSC, je způsobena ztrátami vedení v TiO2 a čiré elektrodě nebo optickými ztrátami v přední elektrodě. Celková kvantová účinnost pro zelené světlo je asi 90%, přičemž „ztracených“ 10% je z velké části tvořeno optickými ztrátami v horní elektrodě. Kvantová účinnost tradičních vzorů se liší v závislosti na jejich tloušťce, ale jsou přibližně stejné jako DSSC.

V teorii, maximální napětí generované takové buňky je prostě rozdíl mezi (kvazi-)Fermiho hladina TiO2 a redox potenciál elektrolytu, asi 0,7 V, pod solární osvětlení podmínky (Voc). To je, pokud je osvětlen DSSC je připojen k voltmetru v „otevřený obvod“, to by si asi 0,7 V. pokud jde o napětí, DSSCs nabídnout mírně vyšší Voc, než je křemík, asi 0,7 V porovnání s 0,6 V. To je docela malý rozdíl, tak v reálném světě jsou rozdíly dominují současné produkce, Jsc.

ačkoli je barvivo vysoce účinné při přeměně absorbovaných fotonů na volné elektrony v TiO2, pouze fotony absorbované barvivem nakonec produkují proud. Rychlost absorpce fotonů závisí na absorpčním spektru senzibilizované vrstvy TiO2 a na spektru slunečního toku. Překrytí mezi těmito dvěma spektry určuje maximální možný fotoproud. Obvykle používané molekuly barviva mají obecně horší absorpci v červené části spektra ve srovnání s křemíkem, což znamená, že méně fotonů na slunci je použitelných pro současnou generaci. Tyto faktory omezují proud generovaný DSSC, pro srovnání, tradiční solární článek na bázi křemíku nabízí asi 35 mA / cm2, zatímco současné DSSC nabízejí asi 20 mA / cm2.

celková účinnost konverze špičkového výkonu pro současné DSSC je asi 11%. Aktuální rekord pro prototypy leží na 15%.

Degradaceedit

DSSC se při vystavení ultrafialovému záření degradují. V roce 2014 byla jako primární příčina degradace, spíše než oxidace, identifikována infiltrace vzduchu běžně používané amorfní Spiro-Meotadové vrstvy. Poškození by se dalo předejít přidáním vhodné bariéry.

bariérové vrstvy mohou obsahovat UV stabilizátory a/nebo UV-absorbující luminiscenční chromofory (které emitují na delší vlnové délky, které mohou být reabsorbovány barvivo) a antioxidanty pro ochranu a zlepšení účinnosti buněk.

AdvantagesEdit

DSSC jsou v současné době nejúčinnější třetí generace (2005 základní výzkum využití solární energie 16) solární technologie k dispozici. Ostatní technologie tenkého filmu jsou obvykle mezi 5% a 13% a tradiční nízkonákladové komerční křemíkové panely pracují mezi 14% a 17%. To dělá DSSCs atraktivní jako náhrada za stávající technologií „low density“ aplikace, jako jsou střešní solární kolektory, kde mechanickou odolnost a nízká hmotnost skla-méně kolektoru je velká výhoda. Nemusí být tak atraktivní pro nasazení ve velkém měřítku, kde jsou buňky s vyšší účinností životaschopnější, ale i malé zvýšení účinnosti konverze DSSC by je mohlo učinit vhodnými i pro některé z těchto rolí.

existuje další oblast, kde jsou DSSC obzvláště atraktivní. Proces vstřikování elektronu přímo do TiO2 je kvalitativně odlišný od procesu vyskytujícího se v tradiční buňce, kde je elektron „propagován“ v původním krystalu. Teoreticky, vzhledem k nízké ceny výroby, high-energie elektronu v křemíku by mohlo znovu spojit s jeho vlastní díru, vydává foton (nebo jinou formu energie), který není výsledkem v aktuální generován. I když v tomto konkrétním případě nemusí být společné, to je docela snadné pro elektron generuje jiný atom kombinovat s otvorem zanechal v předchozím photoexcitation.

pro srovnání, vstřikovací proces použitý v DSSC nezavádí otvor v TiO2, pouze další elektron. Ačkoli to je energeticky možné pro elektron rekombinují zpět do barviva, rychlost, při které k tomu dojde je docela pomalý ve srovnání s mírou, že barvivo získá elektron z okolního elektrolytu. Rekombinace přímo z TiO2 na druhy v elektrolytu je také možná, i když opět u optimalizovaných zařízení je tato reakce poměrně pomalá. Naopak přenos elektronů z elektrody potažené platinou do elektrolytu je nutně velmi rychlý.

v důsledku těchto příznivých „diferenciální kinetiky“ pracují DSSC i za zhoršených světelných podmínek. DSSC jsou proto schopny pracovat pod zataženou oblohou a nepřímým slunečním světlem, zatímco tradiční návrhy by utrpěly „výřez“ na určité spodní hranici osvětlení, když je mobilita nosiče náboje nízká a rekombinace se stává hlavním problémem. Cutoff je tak nízká, že jsou dokonce navrhováno, pro vnitřní použití, shromažďování energie pro malá zařízení od světla v domě.

praktickou výhodou, kterou DSSC sdílejí s většinou tenkovrstvých technologií, je to, že mechanická robustnost článku nepřímo vede k vyšší účinnosti při vyšších teplotách. V každém polovodiči bude zvyšující se teplota podporovat některé elektrony do vodivého pásma „mechanicky“. Křehkost tradiční křemíkové buňky mají být chráněny před živly, obvykle ohraničením je ve skleněné krabici podobné skleníku, s kovové podložce pro sílu. Takové systémy trpí znatelným snížením účinnosti, protože se buňky vnitřně zahřívají. DSSC jsou obvykle postaveny pouze s tenkou vrstvou vodivého plastu na přední vrstvě, což jim umožňuje mnohem snadněji vyzařovat teplo, a proto pracují při nižších vnitřních teplotách.

Nevýhodyeditovat

hlavní nevýhodou konstrukce DSSC je použití kapalného elektrolytu, který má problémy s teplotní stabilitou. Při nízkých teplotách může elektrolyt zamrznout, zastavit výrobu energie a potenciálně vést k fyzickému poškození. Vyšší teploty způsobují expanzi kapaliny, což činí utěsnění panelů vážným problémem. Další nevýhodou je, že k výrobě DSSC je zapotřebí nákladné ruthenium (barvivo), platina (katalyzátor) a vodivé sklo nebo plast (kontakt). Třetí hlavní nevýhodou je, že roztok elektrolytu obsahuje těkavé organické sloučeniny (nebo VOC), rozpouštědla, která musí být pečlivě utěsněna, protože jsou nebezpečná pro lidské zdraví a životní prostředí. To spolu se skutečností, že rozpouštědla pronikají plasty, brání rozsáhlé venkovní aplikaci a integraci do pružné struktury.

výměna kapalného elektrolytu za pevnou látku byla hlavní oblastí výzkumu. Nedávné experimenty s použitím ztuhlých roztavených solí ukázaly určitý příslib, ale v současné době trpí vyšší degradací během pokračujícího provozu a nejsou flexibilní.

Fotokatody a tandem cellsEdit

Barvivo citlivé solární články fungují jako photoanode (n-DSC), kde photocurrent vyplývají z elektronové vklad citlivé barvivo. Fotokatody (p-DSCs) působí v inverzní režim ve srovnání s konvenční n-DSC, kde barvivo-excitaci následuje rychlý přenos elektronů z p-polovodič typu barviva (dye-citlivé díru, injekce, místo toho, aby elektron injekce). Takové p-DSCs a n-DSCs mohou být kombinovány k vytvoření tandemové solární články (pn-DSCs) a teoretické účinnosti tandemu DSCs je tak mimo, že single-junction DSCs.

standardní tandemový článek se skládá z jednoho n-DSC a jednoho P-DSC v jednoduché sendvičové konfiguraci s mezilehlou vrstvou elektrolytu. n-DSC a p-DSC jsou zapojeny do série, což znamená, že výsledný fotoproud bude řízen nejslabší fotoelektrodou, zatímco fotovoltaické zdroje jsou aditivní. Proto je fotoproudé párování velmi důležité pro konstrukci vysoce účinných tandemových PN-DSC. Nicméně, na rozdíl od n-DSCs, rychlé nabíjení rekombinace následující barvivo-citlivé díru injekce obvykle za následek nízké photocurrents v p-DSC a tím brání výkonnosti celého zařízení.

Vědci zjistili, že pomocí barviva obsahující perylenemonoimide (PMI) jako akceptor a oligothiophene spolu se triphenylamine jako dárce výrazně zlepšit výkon p-DSC snížením poplatku rekombinace frekvence následující barvivo-citlivé díru injekce. Vědci zkonstruovali tandemové DSC zařízení s NiO na straně p-DSC a TiO2 na straně n-DSC. Přizpůsobení fotoproudu bylo dosaženo úpravou tloušťky filmu NiO a TiO2 pro řízení optických absorpcí, a proto odpovídalo fotoproudům obou elektrod. Energetická účinnost konverze zařízení je 1.91%, což převyšuje účinnost jeho jednotlivých složek, ale je stále mnohem nižší než u vysoce výkonných n-DSC zařízení (6%-11%). Výsledky jsou stále slibné, protože tandem DSC byl sám o sobě základní. Dramatické zlepšení výkonu v P-DSC může nakonec vést k tandemovým zařízením s mnohem větší účinností než osamělé n-DSC.

Jak již bylo zmíněno, pomocí solid-state elektrolytů má několik výhod oproti kapalným systému (například bez úniku a rychlejší nabíjení dopravy), který byl také realizován pro dye-citlivé fotokatody. Pomocí elektronového transportu materiálů, jako jsou PCBM, TiO2 a ZnO namísto konvenční tekuté redox pár elektrolytu, vědci se podařilo vyrobit solidní státní p-DSCs (p-ssDSCs), cílem pro solid state tandemu barvivem senzibilizované solární články, které mají potenciál k dosažení mnohem větší photovoltages než kapalina tandemu zařízení.