arbeidsprinsippet for N-Type Dssc kan oppsummeres i noen få grunnleggende trinn. Sollys passerer gjennom den gjennomsiktige elektroden inn i fargestofflaget hvor det kan opphisse elektroner som deretter strømmer inn i ledningsbåndet til n-type halvleder, typisk titandioksid. Elektronene fra titandioksid strømmer deretter mot den gjennomsiktige elektroden hvor de samles for å drive en last. Etter å ha strømmet gjennom den eksterne kretsen, blir de gjeninnført i cellen på en metallelektrode på baksiden, også kjent som motelektroden, og strømmer inn i elektrolytten. Elektrolytten transporterer deretter elektronene tilbake til fargestoffmolekylene og regenererer det oksiderte fargestoffet.det grunnleggende arbeidsprinsippet ovenfor er lik i en P-TYPE DSSC, hvor den fargestoff-sensibiliserte halvlederen er av p – type natur (typisk nikkeloksid). I stedet for å injisere et elektron inn i halvlederen, i en P-TYPE DSSC, strømmer et hull fra fargestoffet inn i valensbåndet til p-type halvleder.
Fargesensibiliserte solceller skiller de to funksjonene som silisium gir i en tradisjonell celledesign. Normalt fungerer silisiumet som både kilden til fotoelektroner, samt å gi det elektriske feltet for å skille ladningene og skape en strøm. I den fargestofffølsomme solcellen brukes hovedparten av halvlederen utelukkende til ladetransport, fotoelektronene leveres fra et separat lysfølsomt fargestoff. Ladningsseparasjon skjer på overflatene mellom fargestoff, halvleder og elektrolytt.
fargestoffmolekylene er ganske små (nanometerstørrelse), så for å fange en rimelig mengde innkommende lys må laget av fargestoffmolekyler gjøres ganske tykt, mye tykkere enn molekylene selv. For å løse dette problemet, brukes et nanomateriale som stillas for å holde et stort antall fargestoffmolekyler i en 3d-matrise, og øker antall molekyler for et gitt overflateareal av cellen. I eksisterende design leveres dette stillaset av halvledermaterialet, som tjener dobbelt plikt.
Motelektrode Materialredit
en AV DE viktigste komponentene I DSSC er motelektroden. Som nevnt tidligere er motelektroden ansvarlig for å samle elektroner fra den eksterne kretsen og introdusere dem tilbake i elektrolytten for å katalysere reduksjonsreaksjonen av redoksbussen, generelt I3 – til I-. Det er derfor viktig for motelektroden å ikke bare ha høy elektronkonduktivitet og diffusiv evne, men også elektrokjemisk stabilitet, høy katalytisk aktivitet og passende båndstruktur. Det vanligste motelektrod-materialet som for tiden brukes er platina I Dssc, men er ikke bærekraftig på grunn av høye kostnader og knappe ressurser. Dermed har mye forskning vært fokusert på å oppdage nye hybrid-og dopede materialer som kan erstatte platina med sammenlignbar eller overlegen elektrokatalytisk ytelse. En slik kategori blir mye studert inkluderer chalcogen forbindelser av kobolt, nikkel og jern (CCNI), spesielt effekten av morfologi, støkiometri, og synergi på den resulterende ytelsen. Det har blitt funnet at i tillegg til materialets elementære sammensetning, påvirker disse tre parametrene i stor grad den resulterende motelektrode effektiviteten. Selvfølgelig er det en rekke andre materialer som for tiden blir undersøkt, for eksempel svært mesoporøse karboner, tinnbaserte materialer, gull nanostrukturer, samt blybaserte nanokrystaller. Imidlertid samler følgende avsnitt en rekke pågående forskningsinnsats spesielt knyttet TIL CCNI mot optimalisering AV dssc-motelektrodeytelsen.
MorphologyEdit
selv med samme sammensetning, morfologi av nanopartikler som utgjør motelektroden spille en så viktig rolle i å bestemme effektiviteten av den samlede photovoltaic. Fordi et materialets elektrokatalytiske potensial er svært avhengig av mengden overflateareal som er tilgjengelig for å lette diffusjonen og reduksjonen av redoksartene, har mange forskningsinnsatser vært fokusert på å forstå og optimalisere morfologien til nanostrukturer for dssc-motelektroder.
I 2017, Huang et al. benyttet forskjellige overflateaktive stoffer i en mikroemulsjonsassistert hydrotermal syntese Av CoSe2 / CoSeO3 komposittkrystaller for å produsere nanokuber, nanoroder og nanopartikler. Sammenligning av disse tre morfologiene viste at hybridkompositt nanopartikler, på grunn av å ha det største elektroaktive overflatearealet, hadde den høyeste effektkonverteringseffektiviteten på 9,27%, enda høyere enn platinamotparten. Ikke bare det, nanopartikkel morfologi viste den høyeste toppstrøm tetthet og minste potensielle gapet mellom anodisk og katodisk topp potensialer, og dermed antyde den beste electrocatalytic evne.
Med en lignende studie, Men et annet system, Du Et al. i 2017 fastslått at ternær oksid Av NiCo2O4 hadde størst effekt konvertering effektivitet og electrocatalytic evne som nanoflowers sammenlignet med nanorods eller nanosheets. Du et al. innså at å utforske ulike vekstmekanismer som bidrar til å utnytte de større aktive overflatearealer av nanoflowers kan gi en åpning for å utvide DSSC applikasjoner til andre felt.
Støkiometriedit
selvfølgelig er sammensetningen av materialet som brukes som motelektroden ekstremt viktig for å skape en fungerende fotovoltaisk, da valens-og ledningsenergibåndene må overlappe med de av redokselektrolyttartene for å muliggjøre effektiv elektronutveksling.
I 2018, Jin et al. forberedt ternær nikkel kobolt selenid (NixCoySe) filmer på ulike støkiometriske forhold av nikkel og kobolt for å forstå dens innvirkning på den resulterende celle ytelse. Nikkel-og koboltbimetalliske legeringer var kjent for å ha fremragende elektronledning og stabilitet, slik at optimalisering av støkiometri ideelt sett ville gi en mer effektiv og stabil celleytelse enn sine enkelt metalliske motstykker. Slik er resultatet At Jin et al. Funnet, Som Ni0.12co0.80se oppnådde overlegen effektkonverteringseffektivitet (8,61%), lavere ladningsoverføringsimpedans og høyere elektrokatalytisk evne enn både platina og binære selenid-kolleger.
SynergyEdit
et siste område som har blitt studert aktivt, er synergien av forskjellige materialer for å fremme overlegen elektroaktiv ytelse. Enten gjennom ulike ladetransportmateriale, elektrokjemiske arter eller morfologier, har utnyttelse av det synergetiske forholdet mellom forskjellige materialer banet vei for enda nyere motelektrode materialer.
I 2016, Lu et al. blandet nikkel kobolt sulfid mikropartikler med redusert graphene oksid (rGO) nanoflakes å opprette counter elektrode. Lu et al. oppdaget ikke bare at rGO fungerte som en ko-katalysator for å akselerere triiodidreduksjonen, men også at mikropartiklene og rGO hadde en synergistisk interaksjon som reduserte ladningsoverføringsmotstanden til det totale systemet. Selv om effektiviteten til dette systemet var litt lavere enn platinanalogen (effektivitet AV NCS / rGO-system: 8,96%; effektivitet Av Pt-system: 9,11%), ga det en plattform hvor videre forskning kan utføres.
ConstructionEdit
i tilfelle av den originale Gr@entzel og O ‘ Regan design, cellen har 3 primære deler. På toppen er en gjennomsiktig anode laget av fluor-dopet tinndioksyd (SnO2:F) avsatt på baksiden av en (typisk glass) plate. På baksiden av denne ledende platen er et tynt lag titandioksid (TiO2), som dannes til en svært porøs struktur med et ekstremt høyt overflateareal. Den (TiO2) er kjemisk bundet av en prosess som kalles sintring. TiO2 absorberer bare en liten brøkdel av solfotonene(DE I UV). Platen blir deretter nedsenket i en blanding av et lysfølsomt ruthenium-polypyridylfargestoff (også kalt molekylære sensibilisatorer) og et løsningsmiddel. Etter å ha bløt filmen i fargestoffoppløsningen, blir et tynt lag av fargestoffet kovalent bundet til Overflaten Av TiO2. Bindingen er enten en ester, chelating, eller bidentate bygge bro kobling.
en separat plate blir deretter laget med et tynt lag av jodidelektrolytten spredt over et ledende ark, typisk platinametall. De to platene blir så sammenføyet og forseglet sammen for å forhindre at elektrolytten lekker. Konstruksjonen er enkel nok til at det er hobby kits tilgjengelig for hånd-konstruere dem. Selv om de bruker en rekke «avanserte» materialer, er disse billige sammenlignet med silisium som trengs for normale celler fordi de ikke krever dyre produksjonstrinn. TiO2, for eksempel, er allerede mye brukt som en maling base.en av de effektive dsscs-enhetene bruker rutheniumbasert molekylær fargestoff, f. eks. (N3), som er bundet til en fotoanode via karboksylatgrupper. Photoanoden består av 12 µ tykk film av gjennomsiktige 10-20 nm diameter TiO2 nanopartikler dekket med en 4 µ tykk film med mye større (400 nm diameter) partikler som sprer fotoner tilbake i gjennomsiktig film. Den eksiterte fargestoffet injiserer raskt et elektron i TiO2 etter lysabsorpsjon. Den injiserte elektronen diffunderer gjennom det sintrede partikkelnettverket som skal samles på forsiden av tco-elektroden (transparent conducting oxide), mens fargestoffet regenereres via reduksjon av en redoksbuss, I3- / I -, oppløst i en løsning. Diffusjon av oksidert form av skyttelbussen til motelektroden fullfører kretsen.
Mekanisme Av DSSCsEdit
følgende trinn konvertere i en konvensjonell n-TYPE DSSC fotoner (lys) til strøm:
- hendelsen foton absorberes av photosensitizer (f.eks. Ru complex) adsorbert På TiO2-overflaten.
- fotosensibilisatorene er opphisset fra grunntilstanden (E) til opphisset (er) tilstand (er). De eksiterte elektronene injiseres i ledningsbåndet Til TiO2-elektroden. Dette resulterer i oksidasjon av fotosensibilisatoren (S+).
S + hν → S∗(1)
S ⋅ → TiO 2 S + + e − {\displaystyle {\ce {S^{.}->{S+}+e-}}}(2)
- de injiserte elektronene I ledningsbåndet Til TiO2 transporteres mellom tio2 nanopartikler med diffusjon mot bakkontakten (TCO). Og elektronene når endelig tellerelektroden gjennom kretsen.den oksiderte fotosensibilisatoren (S+) aksepterer elektroner fra redoksmediatoren, typisk i− ion redoksmediatoren, som fører til regenerering av grunntilstanden (E), og to i− Ioner oksyderes til elementært Jod som reagerer med i-til oksidert tilstand, I3 -−
S+ + e− → S(3)
deretter reduseres den til i− ioner.
I3− + 2 e− → 3 I−(4)
effektiviteten til en dssc avhenger av fire energinivåer av komponenten: den eksiterte tilstanden (omtrent lumo) og grunntilstanden (homo) av fotosensibilisatoren, fermi−nivået til tio2− elektroden og redokspotensialet til mediatoren (i – / i3 -) i elektrolytten.
Nanoplant-lignende morfologyedit
i DSSC besto elektroder av sintrede halvledende nanopartikler, hovedsakelig TiO2 eller ZnO. Disse nanopartikkel DSSCs stole på felle-begrenset diffusjon gjennom halvleder nanopartikler for elektron transport. Dette begrenser enhetens effektivitet siden det er en langsom transportmekanisme. Rekombinasjon er mer sannsynlig å forekomme ved lengre bølgelengder av stråling. Videre krever sintring av nanopartikler en høy temperatur på ca 450 °C, noe som begrenser fabrikasjonen av disse cellene til robuste, stive faste underlag. DET har vist seg at det er en økning i effektiviteten TIL DSSC, hvis den sintrede nanopartikkelelektroden erstattes av en spesialdesignet elektrode som har en eksotisk ‘nanoplant-lignende’ morfologi.
OperationEdit
i en konvensjonell n-TYPE DSSC kommer sollys inn i cellen gjennom den gjennomsiktige SnO2: F-toppkontakten, og slår fargestoffet på Overflaten Av TiO2. Fotoner som rammer fargestoffet med nok energi til å bli absorbert, skaper en opphisset tilstand av fargestoffet, hvorfra et elektron kan «injiseres» direkte inn I ledningsbåndet Til TiO2. Derfra beveger den seg ved diffusjon (som et resultat av en elektronkonsentrasjonsgradient) til den klare anoden på toppen.
i Mellomtiden har fargestoffmolekylet mistet et elektron og molekylet vil dekomponere hvis et annet elektron ikke er gitt. Fargestoffet striper en fra jodid i elektrolytt under TiO2, oksiderer det til triiodid. Denne reaksjonen skjer ganske raskt i forhold til tiden det tar for den injiserte elektronen å rekombinere med det oksiderte fargestoffmolekylet, og forhindrer denne rekombinasjonsreaksjonen som effektivt ville kortslutte solcellen.triiodidet gjenoppretter deretter sin manglende elektron ved mekanisk diffusjon til bunnen av cellen, hvor motelektroden gjeninnfører elektronene etter å ha strømmet gjennom den eksterne kretsen.
Effektivitetrediger
Utdypende artikkel: SolkonverteringseffektivitetFlere viktige tiltak brukes for å karakterisere solceller. Den mest åpenbare er den totale mengden elektrisk kraft produsert for en gitt mengde solenergi skinner på cellen. Uttrykt som en prosentandel, er dette kjent som solenergi konvertering effektivitet. Elektrisk kraft er produktet av strøm og spenning, så maksimumsverdiene for disse målingene er også viktige, henholdsvis Jsc og Voc. Til slutt, for å forstå den underliggende fysikken, brukes «kvanteffektiviteten» til å sammenligne sjansen for at en foton (av en bestemt energi) vil skape en elektron.
I kvanteffektivitetsbetingelser er Dssc ekstremt effektive. På grunn av deres «dybde» i nanostrukturen er det en svært stor sjanse for at en foton vil bli absorbert, og fargene er svært effektive for å konvertere dem til elektroner. De fleste av de små tapene som eksisterer I DSSC, skyldes ledningstap i TiO2 og den klare elektroden, eller optiske tap i frontelektroden. Den totale kvanteffektiviteten for grønt lys er omtrent 90%, med de «tapte» 10% i stor grad regnskapsført av de optiske tapene i toppelektroden. Kvanteffektiviteten til tradisjonelle design varierer, avhengig av tykkelsen, men er omtrent det samme SOM DSSC.i teorien er maksimal spenning generert av en slik celle ganske enkelt forskjellen mellom (kvasi-)Fermi-nivået Av TiO2 og redokspotensialet til elektrolytten, omtrent 0,7 V under solbelysningsforhold (Voc). Det vil si at hvis en opplyst DSSC er koblet til en voltmeter i en «åpen krets», vil Den lese om 0,7 V. når det gjelder spenning, Tilbyr DSSCs litt høyere Voc enn silisium, omtrent 0,7 v sammenlignet med 0,6 V. dette er en ganske liten forskjell, så reelle forskjeller domineres av dagens produksjon, Jsc.selv om fargestoffet er svært effektivt ved å konvertere absorberte fotoner til frie elektroner I TiO2, produserer bare fotoner absorbert av fargestoffet til slutt strøm. Graden av fotonabsorpsjon avhenger av absorpsjonsspekteret til Det sensibiliserte TiO2-laget og på solens fluxspektrum. Overlappingen mellom disse to spektrene bestemmer maksimal mulig fotocurrent. Vanligvis brukte fargemolekyler har generelt dårligere absorpsjon i den røde delen av spektret sammenlignet med silisium, noe som betyr at færre fotoner i sollys er brukbare for dagens generasjon. Disse faktorene begrenser strømmen generert AV EN DSSC, til sammenligning tilbyr en tradisjonell silisiumbasert solcelle ca 35 mA/cm2, mens nåværende Dssc tilbyr ca 20 mA / cm2.
total topp effekt konvertering effektivitet for dagens Dssc er ca 11%. Nåværende rekord for prototyper ligger på 15%.
Nedbrytingrediger
DSSCs nedbrytes når de utsettes for ultrafiolett stråling. I 2014 ble luftinfiltrasjon av det vanlig brukte amorfe Spiro-MeOTAD-hulltransportlaget identifisert som den primære årsaken til nedbrytningen, i stedet for oksidasjon. Skaden kan unngås ved tilsetning av en passende barriere.barrierelaget kan inkludere UV-stabilisatorer og / ELLER UV-absorberende luminescerende kromoforer (som avgir ved lengre bølgelengder som kan reabsorberes av fargestoffet) og antioksidanter for å beskytte og forbedre effektiviteten til cellen.
Fordelerrediger
Dssc er i dag den mest effektive tredje generasjon (2005 Grunnforskning Solenergi Utnyttelse 16) solenergi teknologi tilgjengelig. Andre tynnfilmteknologier er vanligvis mellom 5% og 13%, og tradisjonelle rimelige kommersielle silisiumpaneler opererer mellom 14% og 17%. Dette gjør DSSCs attraktiv som erstatning for eksisterende teknologier i» low density » – applikasjoner som solfangere på taket, hvor den mekaniske robustheten og den lette vekten av den glassfrie solfangeren er en stor fordel. De kan ikke være så attraktive for store distribusjoner der høyere kostnader høyere effektivitet celler er mer levedyktig, men selv små økninger I dssc konvertering effektivitet kan gjøre dem egnet for noen av disse rollene også.
Det er et annet område Hvor Dssc er spesielt attraktive. Prosessen med å injisere et elektron direkte Inn I TiO2 er kvalitativt forskjellig fra det som forekommer i en tradisjonell celle, hvor elektronen «fremmes» i den opprinnelige krystallet. I teorien, gitt lave produksjonsnivåer, kan høyenergielektronen i silisiumet re-kombinere med sitt eget hull, gi av en foton (eller annen form for energi) som ikke resulterer i at strømmen genereres. Selv om dette spesielle tilfellet kanskje ikke er vanlig, er det ganske enkelt for et elektron generert av et annet atom å kombinere med et hull igjen i en tidligere photoexcitation.
til sammenligning innfører injeksjonsprosessen som brukes I DSSC ikke et hull I TiO2, bare en ekstra elektron. Selv om det er energisk mulig for elektronen å rekombinere tilbake i fargestoffet, er hastigheten som dette skjer ganske sakte i forhold til hastigheten som fargestoffet gjenvinner et elektron fra den omkringliggende elektrolytten. Rekombinasjon direkte Fra TiO2 til arter i elektrolytten er også mulig, men igjen for optimaliserte enheter er denne reaksjonen ganske langsom. Tvert imot er elektronoverføring fra platinbelagt elektrode til arter i elektrolytten nødvendigvis veldig rask.
Som et resultat av disse gunstige «differensialkinetikkene», fungerer DSSCs selv i svake lysforhold. Dssc er derfor i stand til å arbeide under overskyet himmel og ikke-direkte sollys, mens tradisjonelle design vil lide en» cutout » ved en lavere belysningsgrense, når ladningsbærerens mobilitet er lav og rekombinasjon blir et stort problem. Cutoff er så lav at de selv blir foreslått for innendørs bruk, samle energi for små enheter fra lysene i huset.en praktisk fordel Som Dssc deler med de fleste tynnfilmsteknologier, er at cellens mekaniske robusthet indirekte fører til høyere effektivitet ved høyere temperaturer. I en hvilken som helst halvleder vil økende temperatur fremme noen elektroner i ledningsbåndet «mekanisk». Skjørheten i tradisjonelle silisiumceller krever at de beskyttes mot elementene, typisk ved å omslutte dem i en glassboks som ligner på et drivhus, med metallunderlag for styrke. Slike systemer lider merkbar reduksjon i effektivitet som cellene varme opp internt. Dssc er normalt bygget med bare et tynt lag av ledende plast på frontlaget, slik at de kan utstråle varme mye lettere, og derfor operere ved lavere indre temperaturer.
Ulemperrediger
den største ulempen FOR dssc-designen er bruken av væskeelektrolytten, som har temperaturstabilitetsproblemer. Ved lave temperaturer kan elektrolytten fryse, stoppe kraftproduksjonen og potensielt føre til fysisk skade. Høyere temperaturer føre til at væsken å utvide, noe som gjør tetting panelene et alvorlig problem. En annen ulempe er at kostbar ruthenium (fargestoff), platina (katalysator) og ledende glass eller plast (kontakt) er nødvendig for å produsere EN DSSC. En tredje stor ulempe er at elektrolyttoppløsningen inneholder flyktige organiske forbindelser (ELLER VOC), løsemidler som må forsegles forsiktig da de er farlige for menneskers helse og miljøet. Dette, sammen med det faktum at løsningsmidlene gjennomsyrer plast, har utelukket storskala utendørs bruk og integrering i fleksibel struktur.
Å Erstatte den flytende elektrolytten med et fast stoff har vært et stort pågående forskningsfelt. Nylige eksperimenter med størknet smeltet salter har vist noe løfte, men lider for tiden av høyere nedbrytning under fortsatt drift, og er ikke fleksible.
Fotokatoder og tandemcellerediger
fargesensibiliserte solceller fungerer som en fotoanode (n-DSC), hvor fotocurrent skyldes elektroninjeksjon av det sensibiliserte fargestoffet. Fotokatoder (p-DSCs) opererer i en invers modus sammenlignet med den konvensjonelle n-DSC, hvor fargestoff-eksitasjon følges av rask elektronoverføring fra en p-type halvleder til fargestoffet (fargestoff-sensibilisert hullinjeksjon, i stedet for elektroninjeksjon). Slike p-DSCs og n-DSCs kan kombineres for å konstruere tandem solceller (pn-DSCs) og den teoretiske effektiviteten til tandem DSCs er langt utover det for single-junction DSCs.en standard tandemcelle består av en n-DSC og en p-DSC i en enkel sandwichkonfigurasjon med et mellomliggende elektrolyttlag. n-DSC og p-DSC er koblet i serie, noe som innebærer at den resulterende fotocurrent vil bli styrt av den svakeste fotoelektroden, mens fotovoltager er additive. Dermed er photocurrent matching svært viktig for bygging av svært effektive tandem pn-DSCs. Imidlertid, i motsetning til n-DSCs, resulterte hurtigladningsrekombinasjon etter fargesensibilisert hullinjeksjon vanligvis i lave fotocurrents i p-DSC og hindret dermed effektiviteten til den totale enheten.Forskere har funnet ut at bruk av fargestoffer som omfatter et perylenemonoimid (PMI)som akseptor og en oligotiofen koblet til trifenylamin som donor, forbedrer ytelsen til p-DSC ved å redusere ladningsrekombinasjonshastigheten etter fargestoff-sensibilisert hullinjeksjon. Forskerne konstruerte en tandem DSC-enhet med NiO på p-DSC-siden og TiO2 på n-DSC-siden. Photocurrent matching ble oppnådd ved justering Av NiO og TiO2 filmtykkelser for å kontrollere de optiske absorpsjonene og derfor matche photocurrents av begge elektroder. Energikonverteringseffektiviteten til enheten er 1,91%, som overstiger effektiviteten til de enkelte komponentene, men er fortsatt mye lavere enn for n-DSC-enheter med høy ytelse(6%-11%). Resultatene er fortsatt lovende siden tandem DSC var i seg selv rudimentær. Den dramatiske forbedringen i ytelse i p-DSC kan etter hvert føre til tandem enheter med mye større effektivitet enn lone n-DSCs.
som tidligere nevnt har bruk av en faststoffelektrolytt flere fordeler i forhold til et væskesystem (for eksempel ingen lekkasje og raskere ladetransport), som også er realisert for fargesensibiliserte fotokatoder. Ved hjelp av elektrontransporterende materialer som PCBM, TiO2 og ZnO i stedet for den konvensjonelle flytende redoksparelektrolytten, har forskere klart å fremstille solid state p-dscs (p-ssDSCs), med sikte på solid state tandem dye sensibiliserte solceller, som har potensial til å oppnå mye større fotovoltager enn en flytende tandem-enhet.
