Väriaineherkistynyt aurinkokenno

1960-luvun lopulla huomattiin, että valaistut orgaaniset väriaineet voivat tuottaa sähköä sähkökemiallisten kennojen oksidielektrodeilla. Pyrittäessä ymmärtämään ja simuloimaan fotosynteesin primääriprosesseja ilmiötä tutkittiin Kalifornian yliopistossa Berkeleyssä pinaatista uutetulla klorofyllillä (bio-mimetic tai bionic approach). Tällaisten kokeiden perusteella sähköntuotannon kautta väriaine herkistyminen aurinkokenno (DSSC) periaate osoitettiin ja keskusteltiin vuonna 1972. Väriaineen aurinkokennon epävakaus todettiin tärkeimmäksi haasteeksi. Sen tehokkuutta voitiin seuraavien kahden vuosikymmenen aikana parantaa optimoimalla hienosta oksidijauheesta valmistetun elektrodin huokoisuus, mutta epävakaus pysyi ongelmana.

nykyaikainen n-tyypin DSSC, yleisin dssc-tyyppi, koostuu huokoisesta kerroksesta titaanidioksidinanopartikkeleita, jotka on peitetty auringonvaloa absorboivalla molekyylivärillä, kuten vihreiden lehtien klorofylli. Titaanidioksidi upotetaan elektrolyyttiliuoksen alle, jonka yläpuolella on platinapohjainen katalyytti. Kuten tavallisessa alkaliparistossa, anodi (titaanidioksidi) ja katodi (platina) on sijoitettu nestemäisen johtimen (elektrolyytti) kummallekin puolelle.

n-tyyppisten Dssc-järjestelmien toimintaperiaate voidaan tiivistää muutamaan perusvaiheeseen. Auringonvalo kulkee läpinäkyvän elektrodin läpi väriainekerrokseen, jossa se voi virittää elektroneja, jotka sitten virtaavat n-tyypin puolijohteeseen, tyypillisesti titaanidioksidiin. Titaanidioksidin elektronit virtaavat sitten kohti läpinäkyvää elektrodia, jossa ne kerätään kuorman virroittamiseksi. Kun ne ovat virranneet ulkoisen piirin läpi, ne tuodaan uudelleen soluun takana olevalla metallielektrodilla, joka tunnetaan myös vastaelektrodina, ja virtaavat elektrolyyttiin. Tämän jälkeen elektrolyytti kuljettaa elektronit takaisin värimolekyyleihin ja regeneroi hapettuneen väriaineen.

edellä esitetty perusperiaate on samanlainen p-tyypin DSSC: ssä, jossa väriaineherkistetty puolijohde on luonteeltaan p-tyyppinen (tyypillisesti nikkelioksidi). P-tyypin dssc: ssä elektronin ruiskuttamisen sijaan väriaineesta kuitenkin virtaa reikä p-tyypin puolijohteiden valenssinauhaan.

Väriaineherkistetyt aurinkokennot erottavat piin tarjoamat kaksi tehtävää perinteisessä kennorakenteessa. Normaalisti pii toimii sekä fotoelektronien lähteenä että tarjoaa sähkökentän, joka erottaa varaukset ja luo virran. Väriaineherkistetyssä aurinkokennossa pääosa puolijohdeaineesta käytetään yksinomaan varauksenkuljetukseen, valosähkölaitteet saadaan erillisestä valoherkästä väriaineesta. Varauserotus tapahtuu väriaineen, puolijohteiden ja elektrolyytin välisillä pinnoilla.

värimolekyylit ovat melko pieniä (nanometrin kokoisia), joten saadaksemme kohtuullisen määrän tulevasta valosta värimolekyylikerroksesta on tehtävä melko paksu, paljon paksumpi kuin itse molekyylit. Tämän ongelman ratkaisemiseksi nanomateriaalia käytetään tukena, joka pitää suuren määrän väriainemolekyylejä 3-D-matriisissa, mikä lisää molekyylien määrää solun pinta-alalle. Nykyisissä malleissa tämä teline on varustettu puolijohdemateriaalilla,joka palvelee kaksinkertaisen työn.

Laskurielektrodin Materiaalisedit

yksi dssc: n tärkeimmistä komponenteista on laskurielektrodi. Kuten aiemmin todettiin, vastaelektrodi vastaa elektronien keräämisestä ulkoiselta piiriltä ja niiden tuomisesta takaisin elektrolyyttiin redox – sukkulan, yleensä I3-I-pelkistysreaktion katalysoimiseksi. Näin ollen on tärkeää, että vastaelektrodilla ei ole vain korkea elektroninjohtavuus ja Diffusoiva kyky, vaan myös sähkökemiallinen stabiilisuus, korkea katalyyttinen aktiivisuus ja sopiva kaistarakenne. Yleisin tällä hetkellä käytetty vastaelektrodimateriaali on platina DSSCs: ssä, mutta se ei ole kestävää korkeiden kustannuksiensa ja niukkojen resurssiensa vuoksi. Siksi paljon tutkimusta on keskittynyt löytämään uusia hybridi-ja doped-materiaaleja, jotka voivat korvata platinan vertailukelpoisella tai ylivoimaisella elektrokatalyyttisellä suorituskyvyllä. Yksi tällainen laajasti tutkittu kategoria sisältää koboltin, nikkelin ja raudan kalkogeeniyhdisteet (CCNI), erityisesti morfologian, stoikiometrian ja synergian vaikutukset lopputulokseen. On havaittu, että materiaalin alkuainekoostumuksen lisäksi nämä kolme parametria vaikuttavat suuresti syntyvään vastaelektrodin tehokkuuteen. Tietenkin, on olemassa monia muita materiaaleja parhaillaan tutkitaan, kuten erittäin mesoporous hiilet, tinapohjaiset materiaalit, kulta nanorakenteet, sekä lyijy-pohjainen nanokrystaalit. Kuitenkin seuraavassa osassa kootaan erilaisia käynnissä olevia tutkimustoimia, jotka liittyvät erityisesti CCNI: hen dssc-laskurielektrodin suorituskyvyn optimoimiseksi.

Morfologieedit

vaikka vastaelektrodin muodostavien nanohiukkasten morfologia on koostumukseltaan sama, sillä on niin olennainen merkitys kokonaisvalosähkön tehokkuuden määrittämisessä. Koska materiaalin elektrokatalyyttinen potentiaali on erittäin riippuvainen käytettävissä olevan pinta-alan määrästä redox-lajien diffuusion ja vähentämisen helpottamiseksi, lukuisat tutkimusponnistelut ovat keskittyneet ymmärtämään ja optimoimaan nanorakenteiden morfologiaa dssc-laskurielektrodeille.

vuonna 2017, Huang et al. käytetään eri pinta-aktiivisia aineita mikroemulsion avusteinen hydrotermiset synteesi CoSe2/CoSeO3 komposiitti kiteet tuottaa nanokuutiot, nanorodit, ja nanohiukkaset. Näiden kolmen morfologian vertailu paljasti, että hybridikomposiittinanohiukkasilla oli suurin sähköaktiivisen pinta-alan vuoksi korkein tehonmuuntotehokkuus 9,27%, jopa korkeampi kuin sen platinavastineella. Sen lisäksi nanopartikkeli morfologia näytti suurimman huippuvirtatiheyden ja pienimmän mahdollisen aukon anodisen ja katodisen huippupotentiaalin välillä, mikä viittaa parhaaseen elektrokatalyyttiseen kykyyn.

samanlaisella tutkimuksella, mutta erilaisella järjestelmällä, Du et al. vuonna 2017 määritettiin, että nico2o4: n ternaarioksidilla oli suurin tehon muuntotehokkuus ja elektrokatalyyttinen kyky nanoflowersina verrattuna nanorodeihin tai nanosheetteihin. Du et al. tajusi, että tutkimalla erilaisia kasvumekanismeja, jotka auttavat hyödyntämään suurempia aktiivisia pinta-aloja nanoflowers voi tarjota aukon laajentaa DSSC sovelluksia muille aloille.

stoikiometryedit

tietenkin laskurielektrodina käytettävän materiaalin koostumus on erittäin tärkeä toimivan aurinkosähkön luomiseksi, sillä valenssi-ja johtumisenergiakaistojen on oltava päällekkäisiä redox-elektrolyyttilajien kanssa tehokkaan elektroninvaihdon mahdollistamiseksi.

vuonna 2018, Jin et al. valmistettu ternary nikkeli kobolttiselenidi (NixCoySe) elokuvia eri stoikiometriset suhteet nikkelin ja koboltin ymmärtää sen vaikutus tuloksena solun suorituskykyä. Nikkeli-ja koboltti-bimetalliseoksilla tiedettiin olevan erinomainen elektroninjohtavuus ja stabiilisuus, joten sen stoikiometrianoptimointi tuottaisi ihanteellisesti tehokkaamman ja vakaamman kennon suorituskyvyn kuin sen yksittäin metalliset vastineet. Tällainen on tulos, että Jin et al. löytyi, kuten Ni0. 12co0.80Se saavutettu ylivoimainen teho muuntaminen tehokkuus (8.61%), pienempi varauksen siirto impedanssi, ja suurempi elektrokatalyyttinen kyky kuin sen platina ja binary selenide kollegansa.

SynergyEdit

viimeinen aktiivisesti tutkittu alue on eri materiaalien synergia ylivoimaisen sähköaktiivisen suorituskyvyn edistämisessä. Olipa kyse erilaisista varauksenkuljetusmateriaaleista, sähkökemiallisista lajeista tai morfologioista, eri materiaalien välisen synergeettisen suhteen hyödyntäminen on tasoittanut tietä uudemmillekin vastaelektrodimateriaaleille.

vuonna 2016, Lu et al. sekoitetaan nikkelikobolttisulfidin mikropartikkeleita pelkistetyn grafeenioksidin (rGO) nanoflakesin kanssa laskurielektrodin luomiseksi. Lu ym. havaittiin paitsi, että rGO toimi katalyyttinä kiihdyttäessään trijodidi pelkistys, mutta myös, että mikropartikkelit ja rGO oli synergistinen vuorovaikutus, joka laski varauksen siirto vastus koko järjestelmän. Vaikka tämän järjestelmän hyötysuhde oli hieman pienempi kuin sen platina-analogi (NCS/rGO-järjestelmän hyötysuhde: 8,96%; Pt-järjestelmän hyötysuhde: 9,11%), se tarjosi alustan, jolle voidaan tehdä lisätutkimuksia.

Konstruktionedit

alkuperäisen Grätzelin ja O ’ Reganin mallin tapauksessa solussa on 3 alkuosaa. Päällä on läpinäkyvä anodi, joka on valmistettu fluoridiseostetusta tinadioksidista (SnO2:F), joka on talletettu (tyypillisesti lasilevyn) takaosaan. Tämän johtavan levyn takana on ohut titaanidioksidikerros (TiO2), joka muodostaa erittäin huokoisen rakenteen, jolla on erittäin suuri pinta-ala. (TiO2) sidotaan kemiallisesti sintrausmenetelmällä. TiO2 absorboi vain pienen osan auringon fotoneista (UV: ssä olevista). Levy upotetaan valoherkän rutenium-polypyridyyliväriaineen (jota kutsutaan myös molekyyliherkistäjiksi) ja liuottimen seokseen. Kun kalvo on liotettu väriliuoksessa, TiO2: n pintaan jätetään kovalenttisesti sitoutuneena ohut kerros väriainetta. Sidos on joko esteri -, kelatoiva tai bidentaatti yhdistävä sidos.

tämän jälkeen tehdään erillinen levy, jossa jodidielektrolyytin ohut kerros levitetään johtavalle levylle, tyypillisesti platinametallille. Sitten kaksi levyä liitetään ja suljetaan yhteen elektrolyytin vuotamisen estämiseksi. Rakentaminen on niin yksinkertaista, että on olemassa harrastus sarjat käsin rakentaa niitä. Vaikka ne käyttävät useita ”kehittyneitä” materiaaleja, ne ovat edullisia verrattuna normaaleissa kennoissa tarvittavaan piiin, koska ne eivät vaadi kalliita valmistusvaiheita. Esimerkiksi TiO2: ta käytetään jo laajalti maalipohjana.

yksi tehokkaista DSSCs-laitteista käyttää rutenium-pohjaista molekyyliväriainetta, esimerkiksi (N3), joka on sitoutunut fotoanodiin karboksylaattiosuuksien kautta. Fotoanodi koostuu 12 µm: n paksuisesta kalvosta, jonka halkaisija on 10-20 nm TiO2-nanohiukkasia ja joka on peitetty 4 µm: n paksuisella kalvolla, joka koostuu paljon suuremmista (halkaisijaltaan 400 nm) hiukkasista, jotka sirottavat fotonit takaisin läpinäkyvään kalvoon. Jännittynyt väriaine ruiskuttaa TiO2: een nopeasti elektronin valon absorption jälkeen. Ruiskutettu elektroni diffundoituu sintratun hiukkasverkon läpi kerättäväksi etupuolen läpinäkyvään johtavaan oksidielektrodiin (TCO), kun taas väriaine regeneroidaan pelkistämällä redox−sukkulalla, I3−/I -, liuotettuna liuokseen. Sukkulan hapettuneen muodon diffuusio laskurielektrodille täydentää piirin.

Dsscseditin mekanismi

seuraavat vaiheet muuntavat tavanomaisessa n-tyypin dssc-fotonit (valo) virraksi:

dssc: n tehokkuus riippuu komponentin neljästä energiatasosta: valohensisaattorin viritetystä tilasta (noin Lumo) ja maan tilasta (homo), tio2−elektrodin Fermi− tasosta ja elektrolyytin välittäjän redox-potentiaalista (i – /i3 -).

Nanoplantin kaltainen morfologinen edit

Dssc: ssä elektrodit koostuivat sintratuista puolijohteista nanohiukkasista, pääasiassa TiO2: sta tai ZnO: sta. Nämä nanohiukkasten DSSCs luottaa trap-rajoitettu diffuusio kautta puolijohde nanohiukkasten elektronikuljetukseen. Tämä rajoittaa laitteen tehokkuutta, koska se on hidas kuljetusmekanismi. Rekombinaatio tapahtuu todennäköisemmin pidemmillä säteilyn aallonpituuksilla. Lisäksi nanohiukkasten sintraus vaatii korkean, noin 450 °C: n lämpötilan, mikä rajoittaa näiden solujen valmistusta vankkoihin, jäykkiin kiinteisiin alustoihin. On osoitettu, että dssc: n tehokkuus lisääntyy, jos sintrattu nanohiukkaselektrodi korvataan erityisesti suunnitellulla elektrodilla, jolla on eksoottinen ’nanoplantin kaltainen’ morfologia.

OperationEdit

tavanomaisessa n-tyypin DSSC:ssä auringonvalo tulee soluun läpinäkyvän SnO2: F-pintakosketuksen kautta iskien väriaineen TiO2: n pintaan. Fotonit, jotka iskevät väriin tarpeeksi energiaa absorboituakseen, luovat väriin jännittyneen tilan, josta elektroni voidaan ”ruiskuttaa” suoraan TiO2: n johtuvuuskaistalle. Sieltä se siirtyy diffuusiolla (elektronikonsentraatiogradientin seurauksena) kirkkaalle anodille päälle.

sillä välin väriainemolekyyli on menettänyt elektronin ja molekyyli hajoaa, jos toista elektronia ei anneta. Väriaine irrottaa yhden jodidista elektrolyytissä TiO2: n alapuolella hapettaen sen trijodidiksi. Tämä reaktio tapahtuu melko nopeasti verrattuna aikaan, joka kuluu ruiskutetun elektronin rekombinoitumiseen hapettuneen väriainemolekyylin kanssa, estäen tämän rekombinaatioreaktion, joka tehokkaasti oikosulkisi aurinkokennon.

trijodidi saa tämän jälkeen puuttuvan elektroninsa takaisin hajottamalla sen mekaanisesti solun pohjalle, jossa vastaelektrodi ottaa elektronit uudelleen käyttöön virrattuaan ulkoisen piirin läpi.

EfficiencyEdit

aurinkokennojen karakterisointiin käytetään useita tärkeitä mittareita. Ilmeisin on tuotetun sähköenergian kokonaismäärä tietyn määrän kennossa loistavaa aurinkovoimaa varten. Prosentteina ilmaistuna tätä kutsutaan aurinkoenergian konversiotehokkuudeksi. Sähköteho on virran ja jännitteen tuote, joten myös näiden mittausten enimmäisarvot ovat tärkeitä, Jsc ja Voc vastaavasti. Lopuksi, jotta voidaan ymmärtää taustalla olevaa fysiikkaa,” kvanttihyötysuhdetta ” käytetään vertaamaan mahdollisuutta, että yksi (tietyn energian) fotoni synnyttää yhden elektronin.

Kvanttitehokkuuden kannalta Dssc: t ovat äärimmäisen tehokkaita. Koska niiden” syvyys ” nanorakenteessa on hyvin suuri mahdollisuus, että fotoni absorboituu, ja väriaineet muuntavat ne erittäin tehokkaasti elektroneiksi. Suurin osa dssc: n pienistä häviöistä johtuu Johtumishäviöistä TiO2: ssa ja kirkkaassa elektrodissa tai optisista häviöistä etuelektrodissa. Vihreän valon yleinen kvanttihyötysuhde on noin 90%, ja ”menetetty” 10% selittyy suurelta osin ylimmän elektrodin optisilla häviöillä. Perinteisten mallien kvanttitehokkuus vaihtelee niiden paksuudesta riippuen, mutta ovat suunnilleen samat kuin DSSC: ssä.

teoriassa tällaisen kennon tuottama maksimijännite on yksinkertaisesti TiO2: n (kvasi-)Fermi-tason ja elektrolyytin redox-potentiaalin välinen ero, noin 0,7 V auringon valaistusolosuhteissa (Voc). Toisin sanoen, jos valaistu DSSC on kytketty volttimittariin ”avoimessa piirissä”, se lukisi noin 0.7 V. jännitteen suhteen DSSCs tarjoaa hieman korkeampia Voc-yhdisteitä kuin pii, Noin 0.7 V verrattuna 0.6 V. Tämä on melko pieni ero, joten reaalimaailman eroja hallitsee nykyinen tuotanto, Jsc.

vaikka väriaine on erittäin tehokas muuttamaan absorboituneita fotoneja vapaiksi elektroneiksi TiO2: ssa, vain väriaineen absorboimat fotonit tuottavat lopulta virtaa. Fotonin absorptionopeus riippuu herkistyneen TiO2-kerroksen absorptiospektristä ja auringon vuon spektristä. Näiden kahden spektrin päällekkäisyys määrittää suurimman mahdollisen valovirran. Tyypillisesti käytetyillä värimolekyyleillä on yleensä huonompi absorptio spektrin punaisessa osassa kuin piillä, mikä tarkoittaa, että vähemmän auringonvalossa olevia fotoneja on käytettävissä nykyiseen tuotantoon. Nämä tekijät rajoittavat dssc: n tuottamaa virtaa, vertailun vuoksi, perinteinen piipohjainen aurinkokenno tarjoaa noin 35 mA/cm2, kun taas nykyiset dssc: t tarjoavat noin 20 mA/cm2.

yleinen huipputehon muuntohyötysuhde nykyisillä DSC-järjestelmillä on noin 11%. Prototyyppien nykyinen ennätys on 15 prosenttia.

DegradationEdit

DSSCs hajoaa altistuessaan ultraviolettisäteilylle. Vuonna 2014 todettiin yleisesti käytetyn amorfisen Spiro-Meotadin reikäkuljetuskerroksen tunkeutumisen olevan ensisijainen syy hajoamiseen hapettumisen sijaan. Vahinko voitaisiin välttää lisäämällä siihen sopiva este.

estokerroksessa voi olla UV-stabilointiaineita ja / tai UV-säteilyä absorboivia luminesenssikromoforeita (jotka säteilevät pidemmillä aallonpituuksilla, jotka väriaine voi absorboida takaisin) ja antioksidantteja solun tehokkuuden suojelemiseksi ja parantamiseksi.

edit

DSSCs on tällä hetkellä tehokkain saatavilla oleva kolmannen sukupolven (2005 perustutkimus Solar Energy Utilization 16) aurinkoteknologia. Muita ohutkalvoteknologioita on tyypillisesti 5-13 prosenttia, ja perinteiset edulliset kaupalliset piipaneelit toimivat 14-17 prosenttia. Tämä tekee DSSCs: stä houkuttelevan korvaamaan olemassa olevat teknologiat ”alhaisen tiheyden” sovelluksissa, kuten katolla olevissa aurinkokeräimissä, joissa lasittoman keräimen mekaaninen lujuus ja kevyt paino on merkittävä etu. Ne eivät ehkä ole yhtä houkuttelevia laajamittaisille käyttöönotoille, joissa kalliimmat korkeamman hyötysuhteen solut ovat elinkelpoisempia, mutta pienetkin lisäykset DSSC-muunnostehokkuudessa saattavat tehdä niistä sopivia myös joihinkin näistä rooleista.

on toinenkin alue, jossa Dssc: t ovat erityisen houkuttelevia. Prosessi, jossa elektroni ruiskutetaan suoraan TiO2: een, on laadullisesti erilainen kuin perinteisessä solussa, jossa elektroni ”edistyy” alkuperäisen Kiteen sisällä. Teoriassa piissä oleva korkeaenerginen elektroni voisi alhaisilla tuotantonopeuksilla yhdistyä uudelleen omaan reikäänsä, jolloin syntyy fotoni (tai muu energiamuoto), joka ei johda virran syntymiseen. Vaikka tämä erityistapaus ei ehkä ole yleinen, on melko helppoa, että toisen atomin synnyttämä elektroni yhdistyy edellisessä fotoeksitaatiossa jäljelle jääneeseen reikään.

vertailun vuoksi dssc: ssä käytetty injektointiprosessi ei tuo TiO2: een reikää, vain ylimääräisen elektronin. Vaikka elektronin on energeettisesti mahdollista rekombinoitua takaisin väriaineeksi, nopeus, jolla tämä tapahtuu, on melko hidas verrattuna siihen nopeuteen, jolla väriaine saa elektronin takaisin ympäröivästä elektrolyytistä. Rekombinaatio suoraan TiO2: sta lajeihin elektrolyytissä on myös mahdollista, vaikka taas optimoiduissa laitteissa tämä reaktio on melko hidas. Päinvastoin, elektroninsiirto platinapäällysteiseltä elektrodilta lajeille elektrolyytissä on välttämättä hyvin nopeaa.

näiden suotuisien ”differentiaalikinetiikan” seurauksena Dssc: t toimivat myös hämärässä. Dssc: t pystyvät siis toimimaan pilvisellä taivaalla ja ei-suorassa auringonvalossa, kun taas perinteiset mallit kärsisivät ”katkaisusta” jossain valaistuksen alarajassa, kun latauskantajan liikkuvuus on alhainen ja rekombinaatiosta tulee suuri ongelma. Katkos on niin pieni, että niitä ehdotetaan jopa sisäkäyttöön, keräten energiaa pieniin laitteisiin talon valoista.

DSSCs: n ja useimpien ohutkalvoteknologioiden välinen käytännön etu on, että kennon mekaaninen lujuus johtaa epäsuorasti korkeampiin hyötysuhteisiin korkeammissa lämpötiloissa. Missä tahansa puolijohteessa lämpötilan nousu edistää joitakin elektroneja johtokaistalle ”mekaanisesti”. Perinteisten piikennojen hauraus vaatii niitä suojautumaan alkuaineilta, tyypillisesti koteloimalla ne kasvihuoneen kaltaiseen lasilaatikkoon, jossa on metallitausta lujuutta varten. Tällaiset järjestelmät kärsivät huomattavasta tehokkuuden heikkenemisestä, kun solut kuumenevat sisäisesti. DSSCs on yleensä rakennettu vain ohut kerros johtavaa muovia etukerroksen, jolloin ne säteilevät pois lämpöä paljon helpompaa, ja siksi toimivat alhaisemmissa sisälämpötiloissa.

haittaa

dssc: n rakenteen suurin haitta on nestemäisen elektrolyytin käyttö, jolla on lämpötilavakausongelmia. Alhaisissa lämpötiloissa elektrolyytti voi jäätyä, pysäyttää sähköntuotannon ja mahdollisesti johtaa fyysisiin vaurioihin. Korkeampi lämpötila aiheuttaa nesteen laajenemista, mikä tekee paneelien tiivistämisestä vakavan ongelman. Toinen haitta on, että dssc: n tuottamiseen tarvitaan kallista ruteniumia (väriaine), platinaa (katalyytti) ja johtavaa lasia tai muovia (kosketus). Kolmas suuri haitta on se, että elektrolyyttiliuos sisältää haihtuvia orgaanisia yhdisteitä (tai VOC: tä), liuottimia, jotka on suljettava huolellisesti, koska ne ovat vaarallisia ihmisten terveydelle ja ympäristölle. Tämä sekä se, että liuottimet läpäisevät muovit, ovat estäneet laajamittaisen ulkokäytön ja integroinnin joustavaan rakenteeseen.

nestemäisen elektrolyytin korvaaminen kiinteällä on ollut merkittävä jatkuva tutkimusala. Viimeaikaiset kokeet, joissa käytetään jähmettyneitä sulatettuja suoloja, ovat osoittaneet jonkinlaista lupausta, mutta kärsivät tällä hetkellä suuremmasta hajoamisesta jatkuvan käytön aikana, eivätkä ne ole joustavia.

Valokatodit ja tandemkennot

Väriaineherkistetyt aurinkokennot toimivat fotoanodina (n-DSC), jossa valokenno syntyy herkistetyn väriaineen elektroniruiskutuksesta. Valokatodit (P-DSCs) toimivat käänteisessä tilassa verrattuna tavanomaiseen n-DSC: hen, jossa väriaine-herätettä seuraa nopea elektroninsiirto p-tyypin puolijohteesta väriaineelle (väriaine-herkistetty reikäruiskutus elektroniruiskutuksen sijaan). Tällaiset p-DSCs ja n-DSCs voidaan yhdistää rakentaa tandem aurinkokennot (PN-DSCs) ja teoreettinen tehokkuus tandem DSCs on paljon enemmän kuin yhden junction DSCs.

tavallinen tandemkenno koostuu yhdestä n-DSC: stä ja yhdestä P-DSC: stä yksinkertaisessa sandwich-konfiguraatiossa, jossa on keskitason elektrolyyttikerros. n-DSC ja p-DSC on kytketty sarjaan, mikä tarkoittaa, että tuloksena olevaa valokennoa ohjaa heikoin valosähkö, kun taas aurinkosähkö on additiivinen. Näin ollen, valovirta matching on erittäin tärkeää rakentamiseen erittäin tehokas tandem PN-DSCs. Kuitenkin, toisin kuin n-DSCs, fast charge rekombination jälkeen väriaine-herkistetty reikä injektio yleensä johti Alhainen valovirrat P-DSC ja siten haitannut tehokkuutta koko laitteen.

tutkijat ovat havainneet, että peryleenimonoimidista (PMI) koostuvien väriaineiden käyttö hyväksymistekijänä ja trifenyyliamiiniin yhdistetyn oligotiofeenin käyttö luovuttajana parantavat huomattavasti P-DSC: n suorituskykyä vähentämällä varauksen rekombinaationopeutta väriaineherkän reikäruiskutuksen jälkeen. Tutkijat rakensivat tandem DSC-laitteen, jossa NIO on p-DSC-puolella ja TiO2 n-DSC-puolella. Valokennosovitus saavutettiin säätämällä NIO-ja TiO2-kalvopaksuuksia optisten absorptioiden ohjaamiseksi ja siten vastaamaan molempien elektrodien valokurvia. Laitteen energiamuunnostehokkuus on 1,91%, mikä ylittää sen yksittäisten komponenttien hyötysuhteen, mutta on silti paljon pienempi kuin korkean suorituskyvyn n-DSC-laitteissa (6% -11%). Tulokset ovat edelleen lupaavia, sillä tandem DSC oli itsessään alkeellinen. P-DSC: n suorituskyvyn dramaattinen paraneminen voi lopulta johtaa tandem-laitteisiin, joilla on paljon suurempi tehokkuus kuin yksinäisillä n-DSC: llä.

kuten aiemmin mainittiin, kiinteän olomuodon elektrolyytin käytöllä on useita etuja nestejärjestelmään nähden (kuten vuotamattomuus ja nopeampi varauksenkuljetus), mikä on toteutunut myös väriaineherkistetyille valokatodeille. Käyttämällä elektroneja kuljettavia materiaaleja, kuten PCBM, TiO2 ja ZnO perinteisen nestemäisen redox – parin elektrolyytin sijaan tutkijat ovat onnistuneet valmistamaan solid state p-DSCs (p-ssDSCs), jonka tavoitteena on solid state tandem väriaine herkistynyt aurinkokennoja, joilla on mahdollisuus saavuttaa paljon suurempi aurinkosähkö kuin nestemäinen tandem laite.