Farbstoffsensibilisierte Solarzelle

In den späten 1960er Jahren wurde entdeckt, dass beleuchtete organische Farbstoffe an Oxidelektroden in elektrochemischen Zellen Elektrizität erzeugen können. Um die primären Prozesse der Photosynthese zu verstehen und zu simulieren, wurde das Phänomen an der University of California in Berkeley mit Chlorophyll aus Spinat (bio-mimetischer oder bionischer Ansatz) untersucht. Auf der Grundlage solcher Experimente wurde 1972 die elektrische Stromerzeugung über das Prinzip der Farbstoffsensibilisierungssolarzelle (DSSC) demonstriert und diskutiert. Die Instabilität der Farbstoffsolarzelle wurde als Hauptherausforderung identifiziert. Seine Effizienz konnte in den folgenden zwei Jahrzehnten durch Optimierung der Porosität der aus feinem Oxidpulver hergestellten Elektrode verbessert werden, aber die Instabilität blieb ein Problem.Eine moderne DSSC vom n-Typ, die häufigste Art von DSSC, besteht aus einer porösen Schicht aus Titandioxid-Nanopartikeln, die mit einem molekularen Farbstoff bedeckt ist, der Sonnenlicht absorbiert, wie das Chlorophyll in grünen Blättern. Das Titandioxid wird unter eine Elektrolytlösung getaucht, über der sich ein Katalysator auf Platinbasis befindet. Wie in einer herkömmlichen alkalischen Batterie werden eine Anode (das Titandioxid) und eine Kathode (das Platin) auf beiden Seiten eines flüssigen Leiters (der Elektrolyt) gelegt.

Das Arbeitsprinzip für n-Typ-DSSCs kann in einigen grundlegenden Schritten zusammengefasst werden. Sonnenlicht gelangt durch die transparente Elektrode in die Farbstoffschicht, wo es Elektronen anregen kann, die dann in das Leitungsband des n-Typ-Halbleiters, typischerweise Titandioxid, fließen. Die Elektronen aus Titandioxid fließen dann in Richtung der transparenten Elektrode, wo sie gesammelt werden, um eine Last anzutreiben. Nach dem Durchströmen des externen Kreislaufs werden sie auf einer Metallelektrode auf der Rückseite, auch als Gegenelektrode bezeichnet, wieder in die Zelle eingeführt und fließen in den Elektrolyten. Der Elektrolyt transportiert dann die Elektronen zurück zu den Farbstoffmolekülen und regeneriert den oxidierten Farbstoff.

Das grundlegende Arbeitsprinzip oben ist ähnlich in einem p-Typ-DSSC, wo der farbstoffsensibilisierte Halbleiter vom p-Typ ist (typischerweise Nickeloxid). Anstatt jedoch ein Elektron in den Halbleiter zu injizieren, fließt in einem p-Typ-DSSC ein Loch vom Farbstoff in das Valenzband des p-Typ-Halbleiters.

Farbstoffsensibilisierte Solarzellen trennen die beiden Funktionen von Silizium in einem traditionellen Zelldesign. Normalerweise fungiert das Silizium sowohl als Quelle für Photoelektronen als auch als elektrisches Feld, um die Ladungen zu trennen und einen Strom zu erzeugen. In der farbstoffsensibilisierten Solarzelle wird der Großteil des Halbleiters ausschließlich für den Ladungstransport verwendet, die Photoelektronen werden aus einem separaten lichtempfindlichen Farbstoff bereitgestellt. Die Ladungstrennung erfolgt an den Oberflächen zwischen Farbstoff, Halbleiter und Elektrolyt.

Die Farbstoffmoleküle sind ziemlich klein (nanometergroß), so dass, um eine angemessene Menge des einfallenden Lichts einzufangen, die Schicht der Farbstoffmoleküle ziemlich dick gemacht werden muss, viel dicker als die Moleküle selbst. Um dieses Problem anzugehen, wird ein Nanomaterial als Gerüst verwendet, um eine große Anzahl der Farbstoffmoleküle in einer 3D-Matrix zu halten, wodurch die Anzahl der Moleküle für jede gegebene Zelloberfläche erhöht wird. In bestehenden Konstruktionen wird dieses Gerüst durch das Halbleitermaterial bereitgestellt, das doppelt beansprucht wird.

Gegenelektrodenmaterialienbearbeiten

Eine der wichtigsten Komponenten von DSSC ist die Gegenelektrode. Wie bereits erwähnt, ist die Gegenelektrode dafür verantwortlich, Elektronen aus dem externen Kreislauf zu sammeln und sie zurück in den Elektrolyten einzuführen, um die Reduktionsreaktion des Redox-Shuttles, im Allgemeinen I3- zu I-, zu katalysieren. Daher ist es wichtig, dass die Gegenelektrode nicht nur eine hohe Elektronenleitfähigkeit und Diffusionsfähigkeit aufweist, sondern auch eine elektrochemische Stabilität, eine hohe katalytische Aktivität und eine geeignete Bandstruktur. Das derzeit am häufigsten verwendete Gegenelektrodenmaterial ist Platin in DSSCs, ist jedoch aufgrund seiner hohen Kosten und knappen Ressourcen nicht nachhaltig. Daher wurde viel Forschung auf die Entdeckung neuer hybrider und dotierter Materialien konzentriert, die Platin mit vergleichbarer oder überlegener elektrokatalytischer Leistung ersetzen können. Eine solche Kategorie, die umfassend untersucht wird, umfasst Chalkogenverbindungen von Kobalt, Nickel und Eisen (CCNI), insbesondere die Auswirkungen von Morphologie, Stöchiometrie und Synergie auf die resultierende Leistung. Es wurde gefunden, dass neben der elementaren Zusammensetzung des Materials diese drei Parameter die resultierende Effizienz der Gegenelektrode stark beeinflussen. Natürlich gibt es eine Vielzahl anderer Materialien, die derzeit erforscht werden, wie hoch mesoporöse Kohlenstoffe, Materialien auf Zinnbasis, Goldnanostrukturen sowie Nanokristalle auf Bleibasis. Der folgende Abschnitt stellt jedoch eine Vielzahl laufender Forschungsanstrengungen zusammen, die sich speziell auf CCNI beziehen, um die Leistung der DSSC-Gegenelektrode zu optimieren.

Morphologiebearbeiten

Selbst bei gleicher Zusammensetzung spielt die Morphologie der Nanopartikel, aus denen die Gegenelektrode besteht, eine so wichtige Rolle bei der Bestimmung der Effizienz der gesamten Photovoltaik. Da das elektrokatalytische Potential eines Materials stark von der verfügbaren Oberfläche abhängt, um die Diffusion und Reduktion der Redoxspezies zu erleichtern, wurden zahlreiche Forschungsanstrengungen unternommen, um die Morphologie von Nanostrukturen für DSSC-Gegenelektroden zu verstehen und zu optimieren.

Im Jahr 2017 haben Huang et al. verwendete verschiedene Tenside in einer mikroemulsionsunterstützten hydrothermalen Synthese von zusammengesetzten Kristallen CoSe2/CoSeO3, um nanocubes, nanorods und nanoparticles zu produzieren. Der Vergleich dieser drei Morphologien ergab, dass die Hybrid-Composite-Nanopartikel aufgrund der größten elektroaktiven Oberfläche die höchste Leistungsumwandlungseffizienz von 9,27% aufwiesen, sogar höher als ihr Platin-Gegenstück. Darüber hinaus zeigte die Nanopartikel-Morphologie die höchste Spitzenstromdichte und die kleinste Potentiallücke zwischen dem anodischen und dem kathodischen Spitzenpotential, was die beste elektrokatalytische Fähigkeit impliziert.

Mit einer ähnlichen Studie, aber einem anderen System, haben Du et al. im Jahr 2017 wurde festgestellt, dass das ternäre Oxid von NiCo2O4 im Vergleich zu Nanostäben oder Nanoblättern die größte Leistungsumwandlungseffizienz und elektrokatalytische Fähigkeit als Nanoflowers aufweist. Du et al. erkannt, dass die Erforschung verschiedener Wachstumsmechanismen, die helfen, die größeren aktiven Oberflächen von Nanoflowers zu nutzen, eine Öffnung für die Erweiterung von DSSC-Anwendungen auf andere Bereiche bieten kann.

Stöchiometrie

Natürlich ist die Zusammensetzung des Materials, das als Gegenelektrode verwendet wird, äußerst wichtig, um eine funktionierende Elektrode zu erzeugen, da sich die Valenz- und Leitungsenergiebänder mit denen der Redoxelektrolytspezies überlappen müssen, um einen effizienten Elektronenaustausch zu ermöglichen.

Im Jahr 2018 haben Jin et al. vorbereitete ternäre Nickel-Kobalt-Selenid-Filme (NixCoySe) bei verschiedenen stöchiometrischen Verhältnissen von Nickel und Kobalt, um die Auswirkungen auf die resultierende Zellleistung zu verstehen. Nickel- und Kobalt-Bimetalllegierungen waren dafür bekannt, eine hervorragende Elektronenleitung und Stabilität zu haben, so dass die Optimierung ihrer Stöchiometrie idealerweise eine effizientere und stabilere Zellleistung als ihre einfachmetallischen Gegenstücke erzeugen würde. Dies ist das Ergebnis, dass Jin et al. gefunden, da Ni0.12Co0.80Se überlegene Energieumwandlungs-Leistungsfähigkeit (8,61%), niedrigere Ladungsübertragungs-Impedanz und höhere elektrokatalytische Fähigkeit als seine Platin- und binären Selenidgegenstücke erzielte.

SynergyEdit

Ein letzter Bereich, der aktiv untersucht wurde, ist die Synergie verschiedener Materialien bei der Förderung einer überlegenen elektroaktiven Leistung. Ob durch verschiedene Ladungstransportmaterialien, elektrochemische Spezies oder Morphologien, die Nutzung der synergetischen Beziehung zwischen verschiedenen Materialien hat den Weg für noch neuere Gegenelektrodenmaterialien geebnet.

Im Jahr 2016 haben Lu et al. gemischte Nickel-Kobaltsulfid-Mikropartikel mit reduzierten Graphenoxid (rGO) -Nanoflakes zur Erzeugung der Gegenelektrode. Lu et al. entdeckte nicht nur, dass das rGO als Co-Katalysator bei der Beschleunigung der Triiodidreduktion fungierte, sondern auch, dass die Mikropartikel und rGO eine synergistische Wechselwirkung aufwiesen, die den Ladungsübertragungswiderstand des Gesamtsystems verringerte. Obwohl der Wirkungsgrad dieses Systems etwas niedriger war als sein Platinanalogon (Wirkungsgrad des NCS / rGO-Systems: 8,96%; Wirkungsgrad des Pt-Systems: 9,11%), bot es eine Plattform, auf der weitere Forschungen durchgeführt werden können.

Konstruktionbearbeiten

Im Falle des ursprünglichen Grätzel- und O’Regan-Designs besteht die Zelle aus 3 Hauptteilen. Oben befindet sich eine transparente Anode aus fluoriddotiertem Zinndioxid (SnO2: F), die auf der Rückseite einer (typischerweise Glas-) Platte abgeschieden ist. Auf der Rückseite dieser leitfähigen Platte befindet sich eine dünne Schicht Titandioxid (TiO2), die sich zu einer hochporösen Struktur mit extrem hoher Oberfläche ausbildet. Das (TiO2) wird chemisch durch einen Prozess gebunden, der als Sintern bezeichnet wird. TiO2 absorbiert nur einen kleinen Teil der Sonnenphotonen (die im UV). Die Platte wird dann in eine Mischung aus einem lichtempfindlichen Ruthenium-Polypyridylfarbstoff (auch molekulare Sensibilisatoren genannt) und einem Lösungsmittel eingetaucht. Nach dem Einweichen des Films in die Farbstofflösung bleibt eine dünne Schicht des Farbstoffs kovalent an die Oberfläche des TIO 2 gebunden. Die Bindung ist entweder eine Ester-, Chelat- oder zweizähnige Brückenverbindung.Eine separate Platte wird dann mit einer dünnen Schicht des Iodidelektrolyten hergestellt, die über eine leitfähige Platte, typischerweise Platinmetall, verteilt ist. Die beiden Platten werden dann zusammengefügt und abgedichtet, um ein Auslaufen des Elektrolyten zu verhindern. Die Konstruktion ist einfach genug, dass es Hobby-Kits gibt, um sie von Hand zu konstruieren. Obwohl sie eine Reihe von „fortschrittlichen“ Materialien verwenden, sind diese im Vergleich zu dem für normale Zellen benötigten Silizium kostengünstig, da sie keine teuren Herstellungsschritte erfordern. TiO2 zum Beispiel ist als Lackbasis bereits weit verbreitet.

Eines der effizienten DSSCs-Geräte verwendet einen molekularen Farbstoff auf Rutheniumbasis, z. B. (N3), der über Carboxylatanteile an eine Photoanode gebunden ist. Die Photoanode besteht aus einem 12 µm dicken Film aus transparenten TiO2-Nanopartikeln mit einem Durchmesser von 10 bis 20 nm, der mit einem 4 µm dicken Film aus viel größeren Partikeln (400 nm Durchmesser) bedeckt ist, die Photonen zurück in den transparenten Film streuen. Der angeregte Farbstoff injiziert nach Lichtabsorption schnell ein Elektron in das TiO2. Das injizierte Elektron diffundiert durch das gesinterte Partikelnetzwerk, das an der Vorderseite der TCO-Elektrode (Transparent Conducting Oxide) gesammelt wird, während der Farbstoff durch Reduktion mit einem in einer Lösung gelösten Redox−Shuttle I3− / I- regeneriert wird. Die Diffusion der oxidierten Form des Shuttles zur Gegenelektrode vervollständigt den Kreislauf.

Mechanismus von DSSCsEdit

Die folgenden Schritte wandeln in einem herkömmlichen n-Typ-DSSC Photonen (Licht) in Strom um:

Die Effizienz eines DSSC hängt von vier Energieniveaus der Komponente ab: dem angeregten Zustand (ungefähr LUMO) und dem Grundzustand (HOMO) des Photosensibilisators, dem Fermi−Pegel der TiO2−Elektrode und dem Redoxpotential des Mediators (I-/I3-) im Elektrolyten.

Nanoplant-like morphologyEdit

In DSSC bestanden Elektroden aus gesinterten halbleitenden Nanopartikeln, hauptsächlich TiO2 oder ZnO. Diese Nanopartikel-DSSCs beruhen auf einer fallenbegrenzten Diffusion durch die Halbleiter-Nanopartikel für den Elektronentransport. Dies begrenzt die Effizienz der Vorrichtung, da es sich um einen langsamen Transportmechanismus handelt. Rekombination tritt eher bei längeren Wellenlängen der Strahlung auf. Darüber hinaus erfordert das Sintern von Nanopartikeln eine hohe Temperatur von etwa 450 ° C, was die Herstellung dieser Zellen auf robuste, starre feste Substrate beschränkt. Es wurde nachgewiesen, dass die Effizienz von DSSC gesteigert wird, wenn die gesinterte Nanopartikelelektrode durch eine speziell entwickelte Elektrode ersetzt wird, die eine exotische ’nanoplantenartige‘ Morphologie aufweist.

OperationEdit

In einem herkömmlichen n-Typ-DSSC dringt Sonnenlicht durch den transparenten SnO2:F-Top-Kontakt in die Zelle ein und trifft auf den Farbstoff auf der Oberfläche des TiO2. Photonen, die mit genügend Energie auf den Farbstoff treffen, um absorbiert zu werden, erzeugen einen angeregten Zustand des Farbstoffs, aus dem ein Elektron direkt in das Leitungsband des TiO2 „injiziert“ werden kann. Von dort gelangt es durch Diffusion (als Folge eines Elektronenkonzentrationsgradienten) zur klaren Anode oben.

In der Zwischenzeit hat das Farbstoffmolekül ein Elektron verloren und das Molekül zersetzt sich, wenn kein anderes Elektron bereitgestellt wird. Der Farbstoff streift einen von Iodid in Elektrolyt unterhalb des TiO2 ab und oxidiert ihn zu Triiodid. Diese Reaktion erfolgt ziemlich schnell im Vergleich zu der Zeit, die das injizierte Elektron benötigt, um mit dem oxidierten Farbstoffmolekül zu rekombinieren, wodurch diese Rekombinationsreaktion verhindert wird, die die Solarzelle effektiv kurzschließen würde.

Das Triiodid gewinnt dann sein fehlendes Elektron zurück, indem es mechanisch zum Boden der Zelle diffundiert, wo die Gegenelektrode die Elektronen nach dem Durchströmen des externen Stromkreises wieder einführt.

EfficiencyEdit

Mehrere wichtige Maßnahmen werden verwendet, um Solarzellen zu charakterisieren. Am offensichtlichsten ist die Gesamtmenge an elektrischer Energie, die für eine bestimmte Menge an Sonnenenergie erzeugt wird, die auf die Zelle scheint. Als Prozentsatz ausgedrückt, wird dies als solare Umwandlungseffizienz bezeichnet. Elektrische Leistung ist das Produkt aus Strom und Spannung, daher sind auch die Maximalwerte für diese Messungen wichtig, Jsc bzw. Voc. Um die zugrunde liegende Physik zu verstehen, wird die „Quanteneffizienz“ verwendet, um die Wahrscheinlichkeit zu vergleichen, dass ein Photon (mit einer bestimmten Energie) ein Elektron erzeugt.

In Bezug auf die Quanteneffizienz sind DSSCs extrem effizient. Aufgrund ihrer „Tiefe“ in der Nanostruktur besteht eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon absorbiert wird, und die Farbstoffe wandeln sie sehr effektiv in Elektronen um. Die meisten der kleinen Verluste, die in DSSCs auftreten, sind auf Leitungsverluste im TiO2 und der klaren Elektrode oder optische Verluste in der Frontelektrode zurückzuführen. Die Gesamtquanteneffizienz für grünes Licht beträgt etwa 90%, wobei die „verlorenen“ 10% weitgehend auf die optischen Verluste in der oberen Elektrode zurückzuführen sind. Die Quanteneffizienz herkömmlicher Designs variiert je nach Dicke, ist jedoch ungefähr gleich wie bei DSSC.Theoretisch ist die maximale Spannung, die von einer solchen Zelle erzeugt wird, einfach die Differenz zwischen dem (Quasi-) Fermi-Pegel des TiO2 und dem Redoxpotential des Elektrolyten, etwa 0,7 V unter Solarbeleuchtungsbedingungen (Voc). Das heißt, wenn ein beleuchteter DSSC an ein Voltmeter in einem „offenen Stromkreis“ angeschlossen wird, würde er ungefähr 0,7 V anzeigen. In Bezug auf die Spannung bieten DSSCs etwas höhere Voc als Silizium, etwa 0,7 V im Vergleich zu 0,6 V. Dies ist ein ziemlich kleiner Unterschied, so dass reale Unterschiede von der aktuellen Produktion, Jsc, dominiert werden.

Obwohl der Farbstoff absorbierte Photonen im TiO2 hocheffizient in freie Elektronen umwandelt, erzeugen letztendlich nur vom Farbstoff absorbierte Photonen Strom. Die Geschwindigkeit der Photonenabsorption hängt vom Absorptionsspektrum der sensibilisierten TiO2-Schicht und vom solaren Flussspektrum ab. Die Überlappung dieser beiden Spektren bestimmt den maximal möglichen Photostrom. Typischerweise verwendete Farbstoffmoleküle weisen im Vergleich zu Silizium im Allgemeinen eine schlechtere Absorption im roten Teil des Spektrums auf, was bedeutet, dass weniger der Photonen im Sonnenlicht für die Stromerzeugung nutzbar sind. Zum Vergleich bietet eine herkömmliche Solarzelle auf Siliziumbasis etwa 35 mA / cm2, während aktuelle DSSCs etwa 20 mA / cm2 bieten.

Die Gesamtspitzenleistungsumwandlungseffizienz für aktuelle DSSCs beträgt etwa 11%. Der aktuelle Rekord für Prototypen liegt bei 15%.

DegradationEdit

DSSCs zersetzen sich, wenn sie ultravioletter Strahlung ausgesetzt werden. Im Jahr 2014 wurde die Luftinfiltration der üblicherweise verwendeten amorphen Spiro-MeOTAD-Lochtransportschicht als Hauptursache für den Abbau und nicht als Oxidation identifiziert. Der Schaden könnte durch Hinzufügen einer geeigneten Barriere vermieden werden.Die Barriereschicht kann UV-Stabilisatoren und/oder UV-absorbierende lumineszierende Chromophore (die bei längeren Wellenlängen emittieren, die vom Farbstoff resorbiert werden können) und Antioxidantien enthalten, um die Effizienz der Zelle zu schützen und zu verbessern.

Vorteilebearbeiten

DSSCs sind derzeit die effizienteste Solartechnologie der dritten Generation (2005 Basic Research Solar Energy Utilization 16). Andere Dünnschichttechnologien liegen typischerweise zwischen 5% und 13%, und herkömmliche kostengünstige kommerzielle Siliziumpaneele arbeiten zwischen 14% und 17%. Dies macht DSSCs attraktiv als Ersatz für bestehende Technologien in „Low Density“ -Anwendungen wie Solarkollektoren auf dem Dach, bei denen die mechanische Robustheit und das geringe Gewicht des glaslosen Kollektors ein großer Vorteil sind. Sie sind möglicherweise nicht so attraktiv für große Bereitstellungen, bei denen Zellen mit höherem Wirkungsgrad lebensfähiger sind, aber selbst kleine Erhöhungen der DSSC-Umwandlungseffizienz könnten sie auch für einige dieser Rollen geeignet machen.

In einem anderen Bereich sind DSSCs besonders attraktiv. Der Prozess der Injektion eines Elektrons direkt in das TiO2 unterscheidet sich qualitativ von dem in einer herkömmlichen Zelle, in der das Elektron innerhalb des ursprünglichen Kristalls „gefördert“ wird. Theoretisch könnte sich das hochenergetische Elektron im Silizium bei niedrigen Produktionsraten wieder mit seinem eigenen Loch verbinden und ein Photon (oder eine andere Form von Energie) abgeben, das nicht zur Stromerzeugung führt. Obwohl dieser spezielle Fall möglicherweise nicht häufig vorkommt, ist es ziemlich einfach, dass sich ein von einem anderen Atom erzeugtes Elektron mit einem Loch verbindet, das bei einer vorherigen Photoanregung zurückgelassen wurde.

Im Vergleich dazu führt der im DSSC verwendete Injektionsprozess kein Loch in das TiO2 ein, sondern nur ein zusätzliches Elektron. Obwohl es energetisch möglich ist, dass das Elektron wieder in den Farbstoff rekombiniert, ist die Geschwindigkeit, mit der dies geschieht, ziemlich langsam im Vergleich zu der Geschwindigkeit, mit der der Farbstoff ein Elektron aus dem umgebenden Elektrolyten zurückgewinnt. Eine Rekombination direkt vom TiO2 zu Spezies im Elektrolyten ist ebenfalls möglich, obwohl diese Reaktion für optimierte Geräte wiederum eher langsam ist. Im Gegenteil, der Elektronentransfer von der platinbeschichteten Elektrode zu Spezies im Elektrolyten ist notwendigerweise sehr schnell.

Infolge dieser günstigen „Differentialkinetik“ arbeiten DSSCs auch bei schlechten Lichtverhältnissen. DSSCs sind daher in der Lage, unter bewölktem Himmel und nicht direktem Sonnenlicht zu arbeiten, während herkömmliche Designs an einer unteren Beleuchtungsgrenze einen „Ausschnitt“ erleiden würden, wenn die Ladungsträgerbeweglichkeit gering ist und die Rekombination zu einem Hauptproblem wird. Die Abschaltung ist so niedrig, dass sie sogar für den Innenbereich vorgeschlagen werden und Energie für kleine Geräte von den Lichtern im Haus sammeln.Ein praktischer Vorteil, den DSSCs mit den meisten Dünnschichttechnologien teilen, ist, dass die mechanische Robustheit der Zelle indirekt zu höheren Wirkungsgraden bei höheren Temperaturen führt. In jedem Halbleiter fördert eine zunehmende Temperatur einige Elektronen „mechanisch“ in das Leitungsband. Die Zerbrechlichkeit herkömmlicher Siliziumzellen erfordert, dass sie vor den Elementen geschützt werden, typischerweise indem sie in einer Glasbox ähnlich einem Gewächshaus mit einer Metallunterlage für Festigkeit eingeschlossen werden. Solche Systeme erleiden spürbare Effizienzeinbußen, wenn sich die Zellen intern erwärmen. DSSCs bestehen normalerweise nur aus einer dünnen Schicht leitfähigem Kunststoff auf der vorderen Schicht, wodurch sie Wärme viel einfacher abstrahlen und daher bei niedrigeren Innentemperaturen arbeiten können.

Nachteilebearbeiten

Der Hauptnachteil des DSSC-Designs ist die Verwendung des flüssigen Elektrolyten, der Probleme mit der Temperaturstabilität aufweist. Bei niedrigen Temperaturen kann der Elektrolyt einfrieren, die Stromerzeugung stoppen und möglicherweise zu physischen Schäden führen. Bei höheren Temperaturen dehnt sich die Flüssigkeit aus, was das Abdichten der Paneele zu einem ernsthaften Problem macht. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass zur Herstellung eines DSSC kostspieliges Ruthenium (Farbstoff), Platin (Katalysator) und leitfähiges Glas oder Kunststoff (Kontakt) benötigt werden. Ein dritter großer Nachteil besteht darin, dass die Elektrolytlösung flüchtige organische Verbindungen (VOC) enthält, Lösungsmittel, die sorgfältig verschlossen werden müssen, da sie für die menschliche Gesundheit und die Umwelt gefährlich sind. Dies, zusammen mit der Tatsache, dass die Lösungsmittel Kunststoffe durchdringen, hat eine großflächige Außenanwendung und Integration in flexible Strukturen ausgeschlossen.

Das Ersetzen des flüssigen Elektrolyten durch einen Feststoff war ein wichtiges laufendes Forschungsgebiet. Jüngste Experimente mit erstarrten geschmolzenen Salzen haben einige Versprechen gezeigt, leiden jedoch derzeit unter einem höheren Abbau während des fortgesetzten Betriebs und sind nicht flexibel.

Photokathoden und Tandemzellenbearbeiten

Farbstoffsensibilisierte Solarzellen arbeiten als Photoanode (n-DSC), wobei der Photostrom durch Elektroneninjektion durch den sensibilisierten Farbstoff entsteht. Photokathoden (p-DSCs) arbeiten in einem inversen Modus im Vergleich zu den herkömmlichen n-DSC, wo Farbstoffanregung durch schnelle Elektronenübertragung von einem p-Typ-Halbleiter auf den Farbstoff (farbstoffsensibilisierte Lochinjektion, statt Elektroneninjektion) gefolgt ist. Solche p-DSCs und n-DSCs können kombiniert werden, um Tandemsolarzellen (pn-DSCs) zu konstruieren, und der theoretische Wirkungsgrad von Tandem-DSCs liegt weit über dem von Single-Junction-DSCs.

Eine Standard-Tandemzelle besteht aus einem n-DSC und einem p-DSC in einfacher Sandwichkonfiguration mit einer Zwischenelektrolytschicht. n-DSC und p-DSC sind in Reihe geschaltet, was bedeutet, dass der resultierende Photostrom von der schwächsten Photoelektrode gesteuert wird, während Phagen additiv sind. Daher ist die Photostromanpassung für den Aufbau hocheffizienter Tandem-PN-DSCs sehr wichtig. Im Gegensatz zu n-DSCs führte eine schnelle Ladungsrekombination nach einer farbstoffsensibilisierten Lochinjektion jedoch normalerweise zu niedrigen Fotoströmen in p-DSC und beeinträchtigte somit die Effizienz der gesamten Vorrichtung.Forscher haben herausgefunden, dass die Verwendung von Farbstoffen, die ein Perylenmonoimid (PMI) als Akzeptor und ein an Triphenylamin gekoppeltes Oligothiophen als Donor enthalten, die Leistung von p-DSC erheblich verbessert, indem die Ladungsrekombinationsrate nach einer farbstoffsensibilisierten Lochinjektion verringert wird. Die Forscher konstruierten ein Tandem-DSC-Gerät mit NiO auf der p-DSC-Seite und TiO2 auf der n-DSC-Seite. Die Photostromanpassung wurde durch Einstellung der NiO- und TiO2 -Schichtdicken erreicht, um die optischen Absorptionen zu steuern und daher die Photoströme beider Elektroden anzupassen. Die Energieumwandlungseffizienz des Geräts beträgt 1,91%, was die Effizienz seiner einzelnen Komponenten übersteigt, aber immer noch viel niedriger ist als die von Hochleistungs-n-DSC-Geräten (6% -11%). Die Ergebnisse sind immer noch vielversprechend, da der Tandem-DSC an sich rudimentär war. Die dramatische Verbesserung der Leistung in p-DSC kann schließlich zu Tandem-Geräten mit viel größerer Effizienz als einsame n-DSCs führen.

Wie bereits erwähnt, hat die Verwendung eines Festkörperelektrolyten mehrere Vorteile gegenüber einem flüssigen System (z. B. keine Leckage und schnellerer Ladungstransport), was auch für farbstoffsensibilisierte Photokathoden realisiert wurde. Unter Verwendung von elektronentransportierenden Materialien wie PCBM, TiO2 und ZnO anstelle des herkömmlichen flüssigen Redox-Paarelektrolyten ist es den Forschern gelungen, Festkörper-P-DSCs (p-ssDSCs) herzustellen, die auf Festkörper-Tandem-farbstoffsensibilisierte Solarzellen abzielen, die das Potenzial haben, viel größere Dosierungen als ein flüssiges Tandem-Gerät zu erreichen.