Dye-sensibiliseret solcelle

drift af en gr-celle.

i slutningen af 1960 ‘ erne blev det opdaget, at oplyste organiske farvestoffer kan generere elektricitet ved elektroder i elektrokemiske celler. I et forsøg på at forstå og simulere de primære processer i fotosyntese blev fænomenet undersøgt ved University of California i Berkeley med klorofyl ekstraheret fra spinat (bio-mimetisk eller bionisk tilgang). På grundlag af sådanne eksperimenter blev elproduktion via farvestofsensibiliseringsprincippet (DSSC) demonstreret og diskuteret i 1972. Ustabiliteten af farvestoffet solcelle blev identificeret som en hovedudfordring. Dens effektivitet kunne i løbet af de følgende to årtier forbedres ved at optimere porøsiteten af elektroden fremstillet af fint oksidpulver, men ustabiliteten forblev et problem.

en moderne N-type DSSC, den mest almindelige type DSSC, er sammensat af et porøst lag af Titan nanopartikler, dækket med et molekylært farvestof, der absorberer sollys, som klorofylen i grønne blade. Titaniumdioksen nedsænkes under en elektrolytopløsning, over hvilken der er en platinbaseret katalysator. Som i et konventionelt alkalisk batteri placeres en anode (titaniumdioksen) og en katode (PLATINET) på hver side af en væskeleder (elektrolytten).

Arbejdsprincippet for n-type DSSC ‘ er kan opsummeres i et par grundlæggende trin. Sollys passerer gennem den gennemsigtige elektrode ind i farvestoffet, hvor det kan ophidse elektroner, der derefter strømmer ind i ledningsbåndet af n-typen halvleder, typisk titaniumdiokse. Elektronerne fra titanium strømmer derefter mod den gennemsigtige elektrode, hvor de opsamles for at drive en belastning. Efter at have strømmet gennem det eksterne kredsløb, genindføres de i cellen på en metalelektrode på bagsiden, også kendt som modelektroden, og strømmer ind i elektrolytten. Elektrolytten transporterer derefter elektronerne tilbage til farvestofmolekylerne og regenererer det iltede farvestof.

det grundlæggende arbejdsprincip ovenfor er ens i en P-type DSSC, hvor den farvestofsensibiliserede halvleder er af p-type (typisk nikkelfilter). I stedet for at injicere en elektron i halvlederen, i en p-type DSSC, strømmer et hul fra farvestoffet ind i valensbåndet af P-typen halvleder.Farvesensitiserede solceller adskiller de to funktioner, der leveres af silicium i et traditionelt celledesign. Normalt fungerer silicium som både kilden til fotoelektroner, såvel som at give det elektriske felt til at adskille ladningerne og skabe en strøm. I den farvestofsensibiliserede solcelle anvendes hovedparten af halvlederen udelukkende til ladningstransport, fotoelektronerne leveres fra et separat lysfølsomt farvestof. Ladningsseparation forekommer på overfladerne mellem farvestoffet, halvlederen og elektrolytten.

farvestofmolekylerne er ret små (nanometerstørrelse), så for at fange en rimelig mængde af det indkommende lys skal laget af farvestofmolekyler gøres ret tykt, meget tykkere end selve molekylerne. For at løse dette problem anvendes et nanomateriale som et stillads til at holde et stort antal farvestofmolekyler i en 3D-matrice, hvilket øger antallet af molekyler for et givet overfladeareal af celle. I eksisterende designs leveres dette stillads af halvledermaterialet, der tjener dobbeltarbejde.

Modelektrodematerialerredit

en af de vigtigste komponenter i DSSC er modelektroden. Som tidligere nævnt er tællerelektroden ansvarlig for opsamling af elektroner fra det eksterne kredsløb og introduktion af dem tilbage i elektrolytten for at katalysere reduktionsreaktionen af redoks shuttle, generelt I3 – til i-. Det er således vigtigt for tællerelektroden ikke kun at have høj elektronledningsevne og diffusiv evne, men også elektrokemisk stabilitet, høj katalytisk aktivitet og passende båndstruktur. Det mest almindelige modelektrodemateriale, der i øjeblikket anvendes, er platin i DSSC ‘ er, men er ikke bæredygtigt på grund af dets høje omkostninger og knappe ressourcer. Således har meget forskning været fokuseret på at opdage nye hybrid-og dopede materialer, der kan erstatte platin med sammenlignelig eller overlegen elektrokatalytisk ydeevne. En sådan kategori, der undersøges bredt, inkluderer chalcogenforbindelser af kobolt, nikkelog jern (CCNI), især virkningerne af morfologi, støkiometriog synergi på den resulterende ydeevne. Det har vist sig, at ud over materialets elementære sammensætning påvirker disse tre parametre i høj grad den resulterende modelektrodeeffektivitet. Selvfølgelig er der en række andre materialer, der i øjeblikket undersøges, såsom stærkt mesoporøse carbonatomer, tinbaserede materialer, guld nanostrukturer samt blybaserede nanokrystaller. Imidlertid, det følgende afsnit samler en række igangværende forskningsindsatser, der specifikt vedrører CCNI mod optimering af DSSC-tællerelektrodens ydeevne.

Morfologidit

selv med samme sammensætning spiller morfologi af nanopartiklerne, der udgør modelektroden, en så integreret rolle i bestemmelsen af effektiviteten af den samlede fotovoltaiske. Fordi et materiales elektrokatalytiske potentiale er meget afhængig af mængden af overfladeareal, der er tilgængeligt for at lette diffusionen og reduktionen af arten, har adskillige forskningsindsatser været fokuseret på at forstå og optimere morfologien af nanostrukturer til DSSC-modelektroder.

i 2017, Huang et al. anvendte forskellige overfladeaktive stoffer i en mikroemulsionsassisteret hydrotermisk syntese af cose2/CoSeO3 sammensatte krystaller til fremstilling af nanokuber, nanoroder og nanopartikler. Sammenligning af disse tre morfologier afslørede, at hybridkompositnanopartikler på grund af at have det største elektroaktive overfladeareal havde den højeste effektkonverteringseffektivitet på 9,27%, endnu højere end dets platinmodstykke. Ikke kun det, nanopartikelmorfologien viste den højeste spidsstrømtæthed og det mindste potentielle mellemrum mellem de anodiske og katodiske spidspotentialer, hvilket antyder den bedste elektrokatalytiske evne.

med en lignende undersøgelse, men et andet system, du et al. i 2017 fastslog, at det ternære ilt af NiCo2O4 havde den største effektkonverteringseffektivitet og elektrokatalytiske evne som nanoblomster sammenlignet med nanoroder eller nanoark. Du et al. indså, at udforskning af forskellige vækstmekanismer, der hjælper med at udnytte de større aktive overfladearealer af nanoblomster, kan give en åbning til udvidelse af DSSC-applikationer til andre felter.

Støkiometryedit

naturligvis er sammensætningen af det materiale, der bruges som modelektrode, ekstremt vigtigt for at skabe en fungerende fotovoltaisk, da Valens-og ledningsenergibåndene skal overlappe hinanden med dem fra de røde elektrolytarter for at muliggøre effektiv elektronudveksling.

i 2018, Jin et al. fremstillet ternær nikkel kobolt selenid film ved forskellige støkiometriske forhold mellem nikkel og kobolt til at forstå dens indvirkning på den resulterende celle ydeevne. Nikkel og kobolt bimetalliske legeringer var kendt for at have fremragende elektronledning og stabilitet, så optimering af dens støkiometri ville ideelt set producere en mere effektiv og stabil celleydelse end dens enkelt metalliske modstykker. Sådan er resultatet, at Jin et al. fundet, da Ni0.12co0.80se opnåede overlegen effektkonverteringseffektivitet (8,61%), lavere opladningsimpedans og højere elektrokatalytisk evne end både dets platin-og binære selenid-modstykker.

SynergyEdit

et sidste område, der er blevet aktivt undersøgt, er synergien mellem forskellige materialer til fremme af overlegen elektroaktiv ydeevne. Uanset om det er gennem forskellige ladningstransportmaterialer, elektrokemiske arter eller morfologier, har udnyttelse af det synergetiske forhold mellem forskellige materialer banet vejen for endnu nyere modelektrodematerialer.

i 2016, Lu et al. blandet nikkel cobalt sulfid mikropartikler med reduceret graphene (RGO) nanoflakes at skabe tælleren elektrode. Lu et al. opdagede ikke kun, at rGO fungerede som en co-katalysator til at accelerere triiodidreduktionen, men også at mikropartiklerne og rGO havde en synergistisk interaktion, der reducerede ladningsoverførselsmodstanden i det samlede system. Selvom effektiviteten af dette system var lidt lavere end dets platinanalog (effektivitet af NCS/rGO-system: 8,96%; effektivitet af Pt-system: 9,11%), gav det en platform, hvorpå yderligere forskning kan udføres.

ConstructionEdit

i tilfælde af det originale gr-og O ‘ Regan-design har cellen 3 primære dele. På toppen er en gennemsigtig anode lavet af fluoriddoteret tin (SnO2:F) deponeret på bagsiden af en (typisk glas) plade. På bagsiden af denne ledende plade er et tyndt lag af titaniumdiokse (TiO2), der danner en meget porøs struktur med et ekstremt højt overfladeareal. (TiO2) er kemisk bundet af en proces kaldet sintring. TiO2 absorberer kun en lille brøkdel af solfotonerne (dem i UV). Pladen nedsænkes derefter i en blanding af et lysfølsomt ruthenium-polypyridylfarvestof (også kaldet molekylære sensibilisatorer) og et opløsningsmiddel. Efter blødgøring af filmen i farvestofopløsningen efterlades et tyndt lag af farvestoffet kovalent bundet til overfladen af TiO2. Bindingen er enten en ester, chelaterende eller bidentat broforbindelse.

en separat plade fremstilles derefter med et tyndt lag af iodidelektrolytten spredt over et ledende ark, typisk platinmetal. De to plader forbindes derefter og forsegles sammen for at forhindre, at elektrolytten lækker. Konstruktionen er enkel nok, at der er hobby kits til rådighed til hånd-konstruere dem. Selvom de bruger et antal “avancerede” materialer, er disse billige sammenlignet med det silicium, der er nødvendigt for normale celler, fordi de ikke kræver dyre fremstillingstrin. TiO2 bruges for eksempel allerede i vid udstrækning som malingsbase.

en af de effektive dsscs-enheder bruger rutheniumbaseret molekylært farvestof, f.eks. (N3), der er bundet til en fotoanode via carboksylat dele. Photoanoden består af 12 liter tyk film af gennemsigtige 10-20 nm diameter TiO2 nanopartikler dækket med en 4 liter tyk film med meget større (400 nm diameter) partikler, der spreder fotoner tilbage i den gennemsigtige film. Det ophidsede farvestof injicerer hurtigt en elektron i TiO2 efter lysabsorption. Den injicerede elektron diffunderer gennem det sintrede partikelnetværk, der skal opsamles ved den forreste gennemsigtige ledende elektrode (TCO), mens farvestoffet regenereres via reduktion af en nyoks shuttle, i3−/i−, opløst i en opløsning. Diffusion af den oksidiserede form af skytten til tællerelektroden fuldender kredsløbet.

mekanisme for DSSCsEdit

følgende trin konverteres i en konventionel N-type DSSC-fotoner (lys) til strøm:

effektiviteten af en DSSC afhænger af fire energiniveauer af komponenten: den ophidsede tilstand (ca.lumo) og jordtilstanden (homo) af fotosensibilisatoren, Fermi−niveauet for TiO2− elektroden og mediatorens (i – /i3 -) redokspotentiale i elektrolytten.

Nanoplant-lignende morfologidit

i DSSC bestod elektroder af sintrede halvledende nanopartikler, hovedsageligt TiO2 eller sno. Disse nanopartikler DSSC ‘ er er afhængige af fældebegrænset diffusion gennem halvledernanopartiklerne til elektrontransporten. Dette begrænser enhedens effektivitet, da det er en langsom transportmekanisme. Rekombination er mere tilbøjelige til at forekomme ved længere bølgelængder af stråling. Desuden kræver sintring af nanopartikler en høj temperatur på omkring 450 liter C, hvilket begrænser fremstillingen af disse celler til robuste, stive faste substrater. Det er bevist, at der er en stigning i effektiviteten af DSSC, hvis den sintrede nanopartikelelektrode erstattes af en specielt designet elektrode med en eksotisk ‘nanoplant-lignende’ morfologi.

OperationEdit

i en konventionel N-type DSSC kommer sollys ind i cellen gennem den gennemsigtige SnO2:F topkontakt, der rammer farvestoffet på overfladen af TiO2. Fotoner, der rammer farvestoffet med tilstrækkelig energi til at blive absorberet, skaber en ophidset tilstand af farvestoffet, hvorfra en elektron kan “injiceres” direkte i TiO2 ‘ s ledningsbånd. Derfra bevæger den sig ved diffusion (som et resultat af en elektronkoncentrationsgradient) til den klare anode ovenpå.

i mellemtiden har farvestofmolekylet mistet en elektron, og molekylet nedbrydes, hvis der ikke leveres en anden elektron. Farvestoffet strimler en fra iodid i elektrolyt under TiO2, iltning det til triiodid. Denne reaktion forekommer ret hurtigt sammenlignet med den tid, det tager for den injicerede elektron at rekombinere med det iltede farvestofmolekyle, hvilket forhindrer denne rekombinationsreaktion, der effektivt ville kortslutte solcellen.triiodidet genvinder derefter sin manglende elektron ved mekanisk at diffundere til bunden af cellen, hvor tællerelektroden genindfører elektronerne efter at have strømmet gennem det eksterne kredsløb.

EfficiencyEdit

flere vigtige foranstaltninger bruges til at karakterisere solceller. Det mest oplagte er den samlede mængde elektrisk strøm produceret for en given mængde solenergi, der skinner på cellen. Udtrykt som en procentdel er dette kendt som solkonverteringseffektiviteten. Elektrisk strøm er produktet af strøm og spænding, så de maksimale værdier for disse målinger er også vigtige, henholdsvis Jsc og Voc. Endelig, for at forstå den underliggende fysik, bruges “kvanteeffektiviteten” til at sammenligne chancen for, at en foton (af en bestemt energi) vil skabe en elektron.

i kvanteeffektivitetsbetingelser er DSSC ‘ er ekstremt effektive. På grund af deres” dybde ” i nanostrukturen er der en meget stor chance for, at en foton absorberes, og farvestofferne er meget effektive til at konvertere dem til elektroner. De fleste af de små tab, der findes i DSSC ‘ er, skyldes ledningstab i TiO2 og den klare elektrode eller optiske tab i frontelektroden. Den samlede kvanteeffektivitet for grønt lys er omkring 90%, hvor de “tabte” 10% stort set skyldes de optiske tab i topelektroden. Kvanteffektiviteten af traditionelle designs varierer afhængigt af deres tykkelse, men er omtrent den samme som DSSC.

i teorien er den maksimale spænding, der genereres af en sådan celle, simpelthen forskellen mellem (kvasi-)Fermi-niveauet for TiO2 og elektrolytens redokspotentiale, omkring 0,7 V under solbelysningsbetingelser (Voc). Det vil sige, hvis en belyst DSSC er forbundet til et voltmeter i et “åbent kredsløb”, ville det læse om 0,7 V. Med hensyn til spænding tilbyder DSSC ‘ er lidt højere Voc end silicium, omkring 0,7 V sammenlignet med 0,6 V. Dette er en forholdsvis lille forskel, så forskelle i den virkelige verden domineres af den nuværende produktion, Jsc.

selvom farvestoffet er meget effektivt til at konvertere absorberede fotoner til frie elektroner i TiO2, producerer kun fotoner absorberet af farvestoffet i sidste ende strøm. Hastigheden af fotonabsorption afhænger af absorptionsspektret for det sensibiliserede TiO2-lag og af solfluksspektret. Overlapningen mellem disse to spektre bestemmer den maksimale mulige fotostrøm. Typisk anvendte farvestofmolekyler har generelt dårligere absorption i den røde del af spektret sammenlignet med silicium, hvilket betyder, at færre af fotonerne i sollys kan bruges til den nuværende generation. Disse faktorer begrænser strømmen genereret af en DSSC, til sammenligning tilbyder en traditionel siliciumbaseret solcelle omkring 35 mA/cm2, mens de nuværende DSSC ‘ er tilbyder omkring 20 mA/cm2.

samlet maksimal effektkonverteringseffektivitet for nuværende DSSC ‘ er er omkring 11%. Den nuværende rekord for prototyper ligger på 15%.

Nedbrydningredit

DSSC ‘ er nedbrydes, når de udsættes for ultraviolet stråling. I 2014 blev luftinfiltration af det almindeligt anvendte amorfe Spiro-MeOTAD-hultransportlag identificeret som den primære årsag til nedbrydningen snarere end iltning. Skaden kunne undgås ved tilsætning af en passende barriere.barrierelaget kan omfatte UV-stabilisatorer og / eller UV-absorberende selvlysende chromophorer (som udsender ved længere bølgelængder, som kan reabsorberes af farvestoffet) og antioksidanter for at beskytte og forbedre cellens effektivitet.

Fordeledit

DSSC ‘ er er i øjeblikket den mest effektive tredje generation (2005 Basic Research Solar Energy udnyttelse 16) solteknologi til rådighed. Andre tyndfilmsteknologier er typisk mellem 5% og 13%, og traditionelle billige kommercielle siliciumpaneler opererer mellem 14% og 17%. Dette gør DSSC ‘ er attraktive som erstatning for eksisterende teknologier i “lavdensitets” applikationer som solfangere på taget, hvor den mekaniske robusthed og lette vægt af den glasløse solfanger er en stor fordel. De er muligvis ikke så attraktive til store implementeringer, hvor celler med højere omkostninger med højere effektivitet er mere levedygtige, men selv små stigninger i DSSC-konverteringseffektiviteten kan også gøre dem egnede til nogle af disse roller.

der er et andet område, hvor DSSC ‘ er er særligt attraktive. Processen med at injicere en elektron direkte i TiO2 er kvalitativt forskellig fra den, der forekommer i en traditionel celle, hvor elektronen “fremmes” inden for den originale krystal. I teorien, givet lave produktionshastigheder, kunne højenergielektronen i siliciumet kombinere igen med sit eget hul og afgive en foton (eller anden form for energi), som ikke resulterer i, at der genereres strøm. Selvom dette særlige tilfælde muligvis ikke er almindeligt, er det ret let for en elektron genereret af et andet atom at kombinere med et hul, der er efterladt i en tidligere fotoekspression.

til sammenligning introducerer injektionsprocessen, der anvendes i DSSC, ikke et hul i TiO2, kun en ekstra elektron. Selvom det er energisk muligt for elektronen at rekombinere tilbage i farvestoffet, er den hastighed, hvormed dette sker, ret langsom sammenlignet med den hastighed, som farvestoffet genvinder en elektron fra den omgivende elektrolyt. Rekombination direkte fra TiO2 til arter i elektrolytten er også mulig, selvom denne reaktion igen for optimerede enheder er ret langsom. Tværtimod er elektronoverførsel fra den platinbelagte elektrode til arter i elektrolytten nødvendigvis meget hurtig.

som et resultat af disse gunstige “differentielle kinetik” arbejder DSSC ‘ er selv under dårlige lysforhold. DSSC ‘ er er derfor i stand til at arbejde under overskyet himmel og ikke-direkte sollys, mens traditionelle designs vil lide en “udskæring” ved en nedre belysningsgrænse, når ladebærermobilitet er lav, og rekombination bliver et stort problem. Afskæringen er så lav, at de endda foreslås til indendørs brug og samler energi til små enheder fra lysene i huset.

en praktisk fordel, som DSSC ‘ er deler med de fleste tyndfilmsteknologier, er, at cellens mekaniske robusthed indirekte fører til højere effektivitet ved højere temperaturer. I enhver halvleder vil stigende temperatur fremme nogle elektroner i ledningsbåndet”mekanisk”. Skrøbeligheden af traditionelle siliciumceller kræver, at de beskyttes mod elementerne, typisk ved at omslutte dem i en glasboks svarende til et drivhus med en metalunderlag for styrke. Sådanne systemer lider mærkbare fald i effektivitet som cellerne varme op internt. DSSC ‘ er er normalt bygget med kun et tyndt lag ledende plast på det forreste lag, så de kan udstråle varme meget lettere og derfor fungere ved lavere indre temperaturer.

Ufordeleredit

den største ulempe ved DSSC-designet er brugen af den flydende elektrolyt, som har temperaturstabilitetsproblemer. Ved lave temperaturer kan elektrolytten fryse, standse kraftproduktionen og potentielt føre til fysisk skade. Højere temperaturer får væsken til at ekspandere, hvilket gør forsegling af panelerne til et alvorligt problem. En anden ulempe er, at dyre ruthenium (farvestof), platin (katalysator) og ledende glas eller plast (kontakt) er nødvendige for at producere en DSSC. En tredje stor ulempe er, at elektrolytopløsningen indeholder flygtige organiske forbindelser (eller VOC ‘ er), opløsningsmidler, der skal forsegles omhyggeligt, da de er farlige for menneskers sundhed og miljøet. Dette sammen med det faktum, at opløsningsmidlerne gennemsyrer plast, har udelukket storstilet udendørs anvendelse og integration i fleksibel struktur.

udskiftning af den flydende elektrolyt med et fast stof har været et stort igangværende forskningsfelt. Nylige eksperimenter med størknede smeltede salte har vist noget løfte, men lider i øjeblikket af højere nedbrydning under fortsat drift og er ikke fleksible.

Fotokatoder og tandem celleredit

Farvestofsensibiliserede solceller fungerer som en fotoanode (n-DSC), hvor fotostrøm skyldes elektroninjektion af det sensibiliserede farvestof. Fotokatoder (p-DSC ‘ er) fungerer i en invers tilstand sammenlignet med den konventionelle n-DSC, hvor farvestofekspression efterfølges af hurtig elektronoverførsel fra en p-type halvleder til farvestoffet (farvestofsensibiliseret hulinjektion i stedet for elektroninjektion). Sådanne p-DSC ‘er og n-DSC’ er kan kombineres til at konstruere tandem-solceller (pn-DSC ‘er), og den teoretiske effektivitet af tandem DSC’ er er langt ud over den for DSC ‘ er med et enkelt kryds.

en standard tandem celle består af en n-DSC og en p-DSC i en simpel smørret konfiguration med et mellemliggende elektrolytlag. n-DSC og p-DSC er forbundet i serie, hvilket indebærer, at den resulterende fotostrøm styres af den svageste fotoelektrode, mens fotovoltage er additiv. Således er photocurrent matching meget vigtig for konstruktionen af højeffektive tandem pn-DSC ‘ er. I modsætning til n-DSC ‘ er resulterede hurtig ladningsrekombination efter farvestofsensibiliseret hulinjektion normalt i lave fotostrømme i p-DSC og hæmmede således effektiviteten af den samlede enhed.

forskere har fundet ud af, at anvendelse af farvestoffer, der omfatter et perylenemonoimid (PMI) som acceptor og et oligothiophen koblet til triphenylamin, da donoren i høj grad forbedrer ydeevnen af p-Dsc ved at reducere ladningsrekombinationshastigheden efter farvestofsensibiliseret hulinjektion. Forskerne konstruerede en tandem DSC-enhed med NiO på p-DSC-siden og TiO2 på n-DSC-siden. Fotostrømtilpasning blev opnået ved justering af NIO-og TiO2-filmtykkelser for at kontrollere de optiske absorptioner og derfor matche fotostrømmene for begge elektroder. Enhedens energikonverteringseffektivitet er 1,91%, hvilket overstiger effektiviteten af dets individuelle komponenter, men er stadig meget lavere end for højtydende n-DSC-enheder (6% -11%). Resultaterne er stadig lovende, da tandem DSC i sig selv var rudimentær. Den dramatiske forbedring af ydeevnen i p-DSC kan i sidste ende føre til tandem-enheder med meget større effektivitet end ensomme n-DSC ‘ er.

som tidligere nævnt har anvendelse af en faststofelektrolyt flere fordele i forhold til et flydende system (såsom ingen lækage og hurtigere ladningstransport), som også er realiseret for farvestofsensibiliserede fotokatoder. Ved hjælp af elektrontransportmaterialer som f.eks PCBM, TiO2 og sno i stedet for den konventionelle væskeredokseparelektrolyt har forskere formået at fremstille solid state p-DSC ‘er (p-ssdsc’ er), der sigter mod solid state tandem dye sensibiliserede solceller, som har potentialet til at opnå meget større fotovoltages end en flydende tandem-enhed.