pod koniec lat 60.odkryto, że podświetlane barwniki organiczne mogą wytwarzać energię elektryczną przy elektrodach tlenkowych w ogniwach elektrochemicznych. W celu zrozumienia i symulacji podstawowych procesów fotosyntezy zjawisko badano na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley z chlorofilu ekstrahowanego ze szpinaku (podejście bio-mimetycznego lub bionicznego). Na podstawie takich eksperymentów wykazano i omówiono w 1972 r.wytwarzanie energii elektrycznej za pomocą zasady uczulenia barwnika na ogniwo słoneczne (DSSC). Niestabilność ogniwa słonecznego barwnika została zidentyfikowana jako główne wyzwanie. Jego wydajność można było poprawić w ciągu następnych dwóch dekad, optymalizując porowatość elektrody przygotowanej z drobnego proszku tlenkowego, ale niestabilność pozostała problemem.
nowoczesny DSSC typu n, najbardziej powszechny typ DSSC, składa się z porowatej warstwy nanocząstek dwutlenku tytanu, pokrytej molekularnym barwnikiem, który pochłania światło słoneczne, jak chlorofil w zielonych liściach. Dwutlenek tytanu zanurza się w roztworze elektrolitu, powyżej którego znajduje się katalizator na bazie platyny. Podobnie jak w konwencjonalnej baterii alkalicznej, anoda (dwutlenek tytanu) i katoda (platyna) są umieszczone po obu stronach ciekłego przewodnika (elektrolit).
zasada działania dla DSSC typu n można podsumować w kilku podstawowych krokach. Światło słoneczne przechodzi przez przezroczystą elektrodę do warstwy barwnika, gdzie może wzbudzić elektrony, które następnie przepływają do pasma przewodnictwa półprzewodnika typu N, zazwyczaj dwutlenku tytanu. Elektrony z dwutlenku tytanu płyną następnie w kierunku przezroczystej elektrody, gdzie są gromadzone w celu zasilania ładunku. Po przepłynięciu przez obwód zewnętrzny są one ponownie wprowadzane do ogniwa na metalowej elektrodzie z tyłu, znanej również jako elektroda przeciwna, i przepływają do elektrolitu. Elektrolit następnie przenosi elektrony z powrotem do cząsteczek barwnika i regeneruje utleniony barwnik.
podstawowa zasada działania powyżej, jest podobna w DSSC typu p, Gdzie barwnikowy półprzewodnik ma charakter typu P (zazwyczaj tlenek niklu). Jednak zamiast wstrzykiwania elektronu do półprzewodnika, w DSSC typu P, otwór płynie z barwnika do pasma walencyjnego półprzewodnika typu P.
barwnikowe ogniwa słoneczne oddzielają dwie funkcje oferowane przez krzem w tradycyjnej konstrukcji ogniw. Zwykle krzem działa zarówno jako źródło fotoelektronów, jak i dostarcza pole elektryczne do oddzielania ładunków i tworzenia prądu. W uczulonym na barwnik ogniwie słonecznym większość półprzewodnika jest używana wyłącznie do transportu ładunku, fotoelektrony są dostarczane z oddzielnego światłoczułego barwnika. Separacja ładunku zachodzi na powierzchniach między barwnikiem, półprzewodnikiem i elektrolitem.
cząsteczki barwnika są dość małe (wielkości nanometrów), więc aby uchwycić rozsądną ilość wpadającego światła, warstwa cząsteczek barwnika musi być dość gruba, znacznie grubsza niż same cząsteczki. Aby rozwiązać ten problem, nanomateriał jest używany jako rusztowanie do przechowywania dużej liczby cząsteczek barwnika w matrycy 3-D, zwiększając liczbę cząsteczek dla dowolnej powierzchni komórki. W istniejących konstrukcjach rusztowanie to jest dostarczane przez materiał półprzewodnikowy, który służy podwójnemu obciążeniu.
materiały Elektrodyedytuj
jednym z najważniejszych elementów DSSC jest elektroda przeciwbieżna. Jak wspomniano wcześniej, elektroda przeciwna jest odpowiedzialna za zbieranie elektronów z zewnętrznego obwodu i wprowadzanie ich z powrotem do elektrolitu w celu katalizowania reakcji redukcji promu redoks, Zwykle I3-do I -. Dlatego ważne jest, aby elektroda przeciwległa miała nie tylko wysoką przewodność elektronów i zdolność dyfuzyjną, ale także stabilność elektrochemiczną, wysoką aktywność katalityczną i odpowiednią strukturę pasma. Najczęściej stosowanym obecnie materiałem elektrody przeciwbieżnej jest platyna w DSSC, ale nie jest zrównoważony ze względu na wysokie koszty i ograniczone zasoby. W związku z tym wiele badań skupiło się na odkryciu nowych materiałów hybrydowych i domieszkowanych, które mogą zastąpić platynę o porównywalnej lub lepszej wydajności elektrokatalitycznej. Jedna z takich kategorii jest szeroko badana obejmuje związki chalkogenu kobaltu, niklu i żelaza (CCNI), w szczególności wpływ morfologii, stechiometrii i synergii na wynikającą wydajność. Stwierdzono, że oprócz składu pierwiastkowego materiału, te trzy parametry mają duży wpływ na wynikającą z tego sprawność elektrody przeciwbieżnej. Oczywiście, istnieje wiele innych materiałów obecnie badane, takich jak wysoce mezoporowate węgle, materiały na bazie cyny, nanostruktury złota, a także nanokryształów na bazie ołowiu. Jednak w poniższej sekcji zestawiono szereg bieżących wysiłków badawczych dotyczących CCNI w kierunku optymalizacji wydajności elektrody licznika DSSC.
Morfologiaedytuj
nawet przy tym samym składzie morfologia nanocząstek tworzących elektrodę przeciwbieżną odgrywa tak integralną rolę w określaniu wydajności ogólnej fotowoltaiki. Ponieważ potencjał elektrokatalityczny materiału jest w dużym stopniu zależny od ilości powierzchni dostępnej w celu ułatwienia dyfuzji i redukcji gatunków redoks, liczne wysiłki badawcze koncentrują się na zrozumieniu i optymalizacji morfologii nanostruktur dla elektrod licznikowych DSSC.
w 2017 r.Huang et al. wykorzystano różne środki powierzchniowo czynne w wspomaganej mikroemulsją syntezie hydrotermalnej kryształów kompozytowych CoSe2 / CoSeO3 w celu wytworzenia nanokubek, nanorodów i nanocząstek. Porównanie tych trzech morfologii wykazało, że hybrydowe nanocząstki kompozytowe, ze względu na największą powierzchnię elektroaktywną, miały najwyższą sprawność konwersji mocy 9,27%, nawet wyższą niż jego platynowy odpowiednik. Co więcej, morfologia nanocząstek wykazywała najwyższą szczytową gęstość prądu i najmniejszą lukę potencjalną między szczytowym potencjałem anodowym i katodowym, co oznacza najlepszą zdolność elektrokatalityczną.
z podobnym badaniem, ale innym systemem, Du et al. w 2017 ustalono, że trójskładnikowy tlenek NiCo2O4 ma największą sprawność konwersji mocy i zdolność elektrokatalityczną jako nanoflowers w porównaniu z nanorodami lub nanosheets. Du et al. zdałem sobie sprawę, że badanie różnych mechanizmów wzrostu, które pomagają wykorzystać większe aktywne obszary powierzchni nanokwiatów, może zapewnić otwarcie dla rozszerzenia zastosowań DSSC na inne dziedziny.
Stechiometryedytuj
oczywiście Skład materiału, który jest używany jako elektroda przeciwna, jest niezwykle ważny dla stworzenia działającej fotowoltaiki, ponieważ pasma energii walencyjnej i przewodzenia muszą pokrywać się z pasmami elektrolitów redoks, aby umożliwić wydajną wymianę elektronów.
in 2018, Jin et al. przygotowany trójskładnikowy selenek niklu i kobaltu (NixCoySe) w różnych stechiometrycznych proporcjach niklu i kobaltu, aby zrozumieć jego wpływ na wynikającą wydajność komórki. Stopy bimetaliczne niklu i kobaltu były znane z wyjątkowego przewodzenia elektronów i stabilności, więc optymalizacja jego stechiometrii idealnie zapewniłaby bardziej wydajną i stabilną wydajność komórek niż jego pojedynczo metaliczne odpowiedniki. Taki jest wynik, że Jin et al. stwierdzono, że Ni0.12co0.80se osiągnął wyższą sprawność konwersji mocy (8,61%), niższą impedancję transferu ładunku i wyższą zdolność elektrokatalityczną niż jego odpowiedniki platynowe i binarne selenidowe.
Synergiaedit
ostatnim obszarem, który został aktywnie zbadany, jest synergia różnych materiałów w promowaniu doskonałej wydajności elektroaktywnej. Niezależnie od tego, czy chodzi o różne materiały transportujące ładunek, gatunki elektrochemiczne, czy morfologie, wykorzystanie synergetycznych relacji między różnymi materiałami utorowało drogę dla jeszcze nowszych materiałów przeciwelektrodowych.
In 2016, Lu et al. zmieszane mikrocząstki siarczku niklu i kobaltu ze zredukowanymi nanocząstkami tlenku grafenu (rGO) w celu utworzenia elektrody przeciwnej. Lu i in. odkrył nie tylko, że rGO działał jako współkatalityk w przyspieszaniu redukcji trójjodków, ale także, że mikrocząstki i rGO miały synergiczną interakcję, która zmniejszała opór przenoszenia ładunku w całym systemie. Chociaż sprawność tego systemu była nieco niższa niż jego platynowy analog (sprawność systemu NCS/rGO: 8,96%; sprawność systemu Pt: 9,11%), stanowił on platformę, na której można prowadzić dalsze badania.
Konstrukcjaedytuj
w przypadku oryginalnego projektu Grätzela I O ’ Regana komórka ma 3 podstawowe części. Na górze znajduje się przezroczysta anoda wykonana z domieszkowanego fluorem dwutlenku cyny (SnO2: F)osadzonego na tylnej części (zazwyczaj szklanej) płyty. Z tyłu tej przewodzącej płyty znajduje się cienka warstwa dwutlenku tytanu (TiO2), która tworzy wysoce porowatą strukturę o wyjątkowo dużej powierzchni. (TiO2) jest związany chemicznie przez proces zwany spiekania. TiO2 pochłania tylko niewielką część fotonów słonecznych (tych w UV). Płytka jest następnie zanurzana w mieszaninie światłoczułego barwnika rutenowo-polipirydylowego (zwanego również molekularnymi substancjami uczulającymi) i rozpuszczalnika. Po namoczeniu folii w roztworze barwnika cienka warstwa barwnika pozostaje kowalencyjnie związana z powierzchnią TiO2. Wiązanie jest wiązaniem mostkowym estrowym, chelatującym lub bidentatowym.
następnie wykonuje się oddzielną płytkę z cienką warstwą elektrolitu jodkowego rozłożoną na przewodzącej blasze, zazwyczaj platynowej. Dwie płyty są następnie łączone i uszczelniane, aby zapobiec wyciekowi elektrolitu. Konstrukcja jest na tyle prosta, że dostępne są zestawy hobbystyczne do ich ręcznego konstruowania. Chociaż używają wielu „zaawansowanych” materiałów, są one niedrogie w porównaniu do krzemu potrzebnego do normalnych ogniw, ponieważ nie wymagają drogich etapów produkcji. Na przykład TiO2 jest już szeroko stosowany jako baza do malowania.
jedno z wydajnych urządzeń DSSCs wykorzystuje barwnik molekularny na bazie rutenu, np. (N3), który jest związany z fotoanodą przez grupy karboksylowe. Fotoanoda składa się z folii o grubości 12 µm z przezroczystych nanocząstek TiO2 o średnicy 10-20 nm pokrytych folią o grubości 4 µm o znacznie większych cząstkach (o średnicy 400 nm), które rozpraszają fotony z powrotem do przezroczystej folii. Wzbudzony barwnik szybko wstrzykuje elektron do TiO2 po absorpcji światła. Wtryskiwany elektron dyfunduje przez spiekaną sieć cząstek, która ma być zebrana na przedniej stronie przezroczystej elektrody tlenku przewodzącego (TCO), podczas gdy barwnik jest regenerowany poprzez redukcję przez transfer redoks, i3−/I−, rozpuszczony w roztworze. Dyfuzja utlenionej formy promu do elektrody przeciwbieżnej dopełnia Obwód.
Mechanizm dsscsedit
następujące kroki przekształcają w konwencjonalne fotony DSSC (światło) typu N na prąd:
- Foton padający jest absorbowany przez fotouczulacz (np. RU complex) adsorbowane na powierzchni TiO2.
- fotouczulacze są wzbudzone ze stanu podstawowego (s) do stanu wzbudzonego (S∗). Wzbudzone elektrony są wstrzykiwane do pasma przewodnictwa elektrody TiO2. Powoduje to utlenianie fotouczulacza (S+).
S + hν → S∗(1)
S ⋅ → TiO 2 S + + e − {\displaystyle {\ce {S^{.}->{S+}+e-}}}(2)
- wstrzyknięte elektrony w paśmie przewodnictwa TiO2 są transportowane między nanocząstkami TiO2 z dyfuzją w kierunku styku tylnego (TCO). Elektrony w końcu docierają do elektrody przeciwnej przez obwód.
- utleniony fotouczulacz (S+) przyjmuje elektrony z mediatora redoks, Zwykle mediatora redoks i− jonów, co prowadzi do regeneracji stanu podstawowego (s), a dwa jony I− są utleniane do jodu elementarnego, który reaguje z I−do stanu utlenionego, I3 -.
S+ + e− → S(3)
- utleniony mediator redoks, I3−, dyfunduje w kierunku licznika elektrody, a następnie jest zredukowana do jonów i−.
I3− + 2 e− → 3 I−(4)
sprawność DSSC zależy od czterech poziomów energetycznych składnika: stanu wzbudzonego (w przybliżeniu lumo) i stanu podstawowego (homo) fotouczulacza, poziomu Fermiego elektrody TiO2 i potencjału redoks mediatora (i−/I3−) w elektrolicie.
morfologia Nanoplantopodobna
w DSSC elektrody składały się ze spiekanych nanocząstek półprzewodnikowych, głównie TiO2 lub ZnO. Te nanocząstki DSSC opierają się na ograniczonej do pułapki dyfuzji przez nanocząstki półprzewodnikowe do transportu elektronów. Ogranicza to wydajność urządzenia, ponieważ jest to powolny mechanizm transportowy. Rekombinacja jest bardziej prawdopodobna przy dłuższych długościach fal promieniowania. Co więcej, spiekanie nanocząstek wymaga wysokiej temperatury około 450 °C, co ogranicza wytwarzanie tych komórek do solidnych, sztywnych podłoży stałych. Udowodniono, że istnieje wzrost wydajności DSSC, jeśli spiekana elektroda nanocząstkowa zostanie zastąpiona specjalnie zaprojektowaną elektrodą o egzotycznej morfologii „nanoplant-like”.
Operacjaedit
w konwencjonalnym DSSC typu n światło słoneczne wchodzi do komórki przez przezroczysty kontakt SnO2:f, uderzając w barwnik na powierzchni TiO2. Fotony uderzające w barwnik z wystarczającą energią do wchłonięcia tworzą stan wzbudzony barwnika, z którego elektron może być „wstrzyknięty” bezpośrednio do pasma przewodnictwa TiO2. Stamtąd przemieszcza się przez dyfuzję (w wyniku gradientu stężenia elektronów)do jasnej anody na górze.
tymczasem cząsteczka barwnika straciła elektron i cząsteczka ulegnie rozkładowi, jeśli inny elektron nie zostanie dostarczony. Barwnik usuwa jeden z jodku w elektrolicie poniżej TiO2, utleniając go do trijodku. Reakcja ta zachodzi dość szybko w porównaniu do czasu, jaki zajmuje wstrzyknięty elektron do rekombinacji z utlenioną cząsteczką barwnika, zapobiegając tej reakcji rekombinacji, która skutecznie zwarłaby ogniwo słoneczne.
trijodek następnie odzyskuje brakujący elektron poprzez mechaniczną dyfuzję do DNA komórki, gdzie elektroda przeciwprądowa ponownie wprowadza elektrony po przepłynięciu przez obwód zewnętrzny.
EfficiencyEdit
do scharakteryzowania ogniw słonecznych stosuje się kilka ważnych środków. Najbardziej oczywistą jest całkowita ilość energii elektrycznej wyprodukowanej dla danej ilości energii słonecznej świecącej na ogniwo. Wyrażona w procentach, jest to znane jako efektywność konwersji słonecznej. Energia elektryczna jest iloczynem prądu i napięcia, więc maksymalne wartości dla tych pomiarów są również ważne, odpowiednio Jsc i Voc. Wreszcie, aby zrozumieć podstawową fizykę, „sprawność kwantowa” jest używana do porównania szansy, że jeden Foton (o określonej energii) stworzy jeden elektron.
pod względem wydajności kwantowej DSSC są niezwykle wydajne. Ze względu na ich „głębokość” w nanostrukturze istnieje bardzo duża szansa, że Foton zostanie wchłonięty, a barwniki są bardzo skuteczne w przekształcaniu ich w elektrony. Większość małych strat, które istnieją w DSSC są spowodowane stratami przewodzenia w TiO2 i przezroczystej elektrody lub stratami optycznymi w przedniej elektrodzie. Ogólna wydajność kwantowa dla zielonego światła wynosi około 90%, a „utracone” 10% jest w dużej mierze pokrywane przez straty optyczne w górnej elektrodzie. Wydajność kwantowa tradycyjnych konstrukcji różni się w zależności od ich grubości, ale są mniej więcej takie same jak DSSC.
teoretycznie maksymalne napięcie generowane przez takie ogniwo jest po prostu różnicą między (quasi-)poziomem Fermiego TiO2 a potencjałem redoks elektrolitu, około 0,7 V w warunkach oświetlenia słonecznego (Voc). Oznacza to, że jeśli podświetlany DSSC jest podłączony do woltomierza w „obwodzie otwartym”, odczyta on około 0,7 V. pod względem napięcia DSSC oferują nieco wyższe LZO niż krzem, około 0,7 V w porównaniu do 0,6 V. Jest to dość mała różnica, więc różnice w świecie rzeczywistym są zdominowane przez obecną produkcję, Jsc.
chociaż barwnik jest bardzo skuteczny w przekształcaniu pochłoniętych fotonów w wolne elektrony w TiO2, tylko fotony pochłonięte przez barwnik ostatecznie wytwarzają prąd. Szybkość absorpcji fotonów zależy od widma absorpcji uwrażliwionej warstwy TiO2 i widma strumienia słonecznego. Nakładanie się tych dwóch widm określa maksymalny możliwy fotokurrent. Zazwyczaj używane cząsteczki barwnika mają na ogół gorszą absorpcję w czerwonej części widma w porównaniu z krzemem,co oznacza, że mniej fotonów w świetle słonecznym jest użytecznych do bieżącego generowania. Czynniki te ograniczają prąd generowany przez DSSC, dla porównania, tradycyjne ogniwo słoneczne na bazie krzemu oferuje około 35 mA/cm2, podczas gdy obecne DSSC oferują około 20 mA/cm2.
całkowita sprawność konwersji mocy szczytowej dla obecnych DSSC wynosi około 11%. Aktualny rekord prototypów wynosi 15%.
Degradacjaedytuj
DSSC ulegają degradacji pod wpływem promieniowania ultrafioletowego. W 2014 roku zidentyfikowano infiltrację powietrza powszechnie stosowanej amorficznej warstwy transportu otworów Spiro-MeOTAD jako główną przyczynę degradacji, a nie utleniania. Uszkodzenia można było uniknąć poprzez dodanie odpowiedniej bariery.
warstwa barierowa może zawierać stabilizatory UV i/lub absorbujące UV luminescencyjne chromofory (które emitują przy dłuższych długościach fal, które mogą być ponownie wchłaniane przez barwnik) i przeciwutleniacze w celu ochrony i poprawy wydajności komórki.
Zaletedytuj
DSSC są obecnie najbardziej wydajną technologią słoneczną trzeciej generacji (2005 podstawowe badania wykorzystania energii Słonecznej16). Inne technologie cienkowarstwowe zwykle wynoszą od 5% do 13%, a tradycyjne tanie komercyjne panele silikonowe działają od 14% do 17%. Dzięki temu systemy DSSC są atrakcyjne jako zamiennik istniejących technologii w zastosowaniach „o niskiej gęstości”, takich jak dachowe kolektory słoneczne, gdzie wytrzymałość mechaniczna i niewielka waga kolektora bez szkła są główną zaletą. Mogą nie być tak atrakcyjne dla wdrożeń na dużą skalę, w których bardziej opłacalne ogniwa o wyższej wydajności są bardziej opłacalne, ale nawet niewielki wzrost wydajności konwersji DSSC może sprawić, że będą one odpowiednie dla niektórych z tych ról.
jest jeszcze jeden obszar, w którym DSSC są szczególnie atrakcyjne. Proces wstrzykiwania elektronu bezpośrednio do TiO2 jest jakościowo różny od tego zachodzącego w tradycyjnej komórce, gdzie elektron jest „promowany” w oryginalnym krysztale. W teorii, biorąc pod uwagę niskie tempo produkcji, wysokoenergetyczny elektron w krzemie może ponownie połączyć się z własną dziurą, wydzielając Foton (lub inną formę energii), co nie powoduje generowania prądu. Chociaż ten szczególny przypadek może nie być powszechny, dość łatwo jest połączyć elektron generowany przez inny atom z dziurą pozostawioną w poprzednim fotoeksploatacji.
dla porównania, zastosowany w DSSC proces wtrysku nie wprowadza dziury w TiO2, tylko dodatkowy elektron. Chociaż jest energetycznie możliwe, aby elektron rekombinował z powrotem do barwnika, szybkość, z jaką występuje, jest dość powolna w porównaniu do szybkości, z jaką barwnik odzyskuje elektron z otaczającego elektrolitu. Możliwa jest również rekombinacja bezpośrednio z TiO2 do gatunków w elektrolicie, chociaż dla zoptymalizowanych urządzeń reakcja ta jest raczej powolna. Wręcz przeciwnie, transfer elektronów z elektrody powlekanej platyną do gatunku w elektrolicie jest koniecznie bardzo szybki.
dzięki korzystnej „kinetyce różnicowej” DSSC działają nawet w warunkach słabego oświetlenia. DSSC są zatem w stanie pracować pod pochmurnym niebem i nie bezpośrednim światłem słonecznym, podczas gdy tradycyjne konstrukcje cierpiałyby na „wycięcie” przy pewnej dolnej granicy oświetlenia, gdy mobilność nośnika ładunku jest niska, a rekombinacja staje się poważnym problemem. Odcięcia są tak niskie, że są nawet proponowane do użytku w pomieszczeniach, zbierając energię dla małych urządzeń ze świateł w domu.
praktyczną zaletą, którą DSSC dzielą z większością technologii cienkowarstwowych, jest to, że mechaniczna wytrzymałość ogniwa pośrednio prowadzi do wyższej wydajności w wyższych temperaturach. W każdym półprzewodniku, wzrost temperatury będzie promować niektóre elektrony do pasma przewodnictwa „mechanicznie”. Kruchość tradycyjnych ogniw krzemowych wymaga ich ochrony przed żywiołami, zazwyczaj poprzez zamknięcie ich w szklanym pudełku podobnym do szklarni, z metalowym podkładem zapewniającym wytrzymałość. Takie systemy odczuwają zauważalny spadek wydajności, ponieważ ogniwa nagrzewają się wewnętrznie. DSSC są zwykle zbudowane z cienkiej warstwy przewodzącego tworzywa sztucznego na przedniej warstwie, dzięki czemu znacznie łatwiej wypromieniowują ciepło, a zatem działają w niższych temperaturach wewnętrznych.
Wadaedytuj
główną wadą konstrukcji DSSC jest zastosowanie ciekłego elektrolitu, który ma problemy ze stabilnością temperatury. W niskich temperaturach elektrolit może zamarznąć, zatrzymując produkcję energii i potencjalnie prowadząc do uszkodzeń fizycznych. Wyższe temperatury powodują rozszerzanie się cieczy, co sprawia, że uszczelnienie paneli jest poważnym problemem. Inną Wadą jest to, że do wytworzenia DSSC potrzebne są kosztowne ruten (barwnik), platyna (katalizator) i szkło przewodzące lub tworzywo sztuczne (kontakt). Trzecią istotną wadą jest to, że roztwór elektrolitu zawiera lotne związki organiczne( lub LZO), rozpuszczalniki, które muszą być starannie uszczelnione, ponieważ są niebezpieczne dla zdrowia ludzkiego i środowiska. To, wraz z faktem, że rozpuszczalniki przenikają Tworzywa sztuczne, uniemożliwiło zastosowanie na dużą skalę na zewnątrz i integrację z elastyczną strukturą.
zastąpienie ciekłego elektrolitu ciałem stałym jest głównym ciągłym obszarem badań. Ostatnie eksperymenty z użyciem zestalonych stopionych soli wykazały pewną obietnicę, ale obecnie cierpią z powodu wyższej degradacji podczas dalszej pracy i nie są elastyczne.
Fotokatody i komórki tandemoweedit
barwnikowe ogniwa słoneczne działają jako fotoanoda (n-DSC), gdzie fotokurrent powstaje w wyniku wtrysku elektronów przez uczulony barwnik. Fotokatody (p-DSCs) działają w trybie odwrotnym w porównaniu do konwencjonalnego N-DSC, gdzie wzbudzenie barwnika następuje przez szybki transfer elektronów z półprzewodnika typu p do barwnika (barwnik uwrażliwiony Wtrysk otworu, zamiast wtrysku elektronów). Takie p-DSCs i n-DSCs mogą być łączone w celu budowy tandemowych ogniw słonecznych (PN-DSCs), a teoretyczna wydajność tandemowych DSCs jest znacznie wyższa niż w przypadku DSC z pojedynczym złączem.
standardowe ogniwo tandemowe składa się z jednego n-DSC i jednego p-DSC w prostej konfiguracji warstwowej z pośrednią warstwą elektrolitu. n-DSC I p-DSC są połączone szeregowo, co oznacza, że powstały fotokurrent będzie kontrolowany przez najsłabszą fotoelektrodę, podczas gdy fotokurrenty są addytywne. Tak więc dopasowanie fotokurrentowe jest bardzo ważne dla budowy wysokowydajnych tandemów pn-DSCs. Jednakże, w przeciwieństwie do n-DSC, szybka rekombinacja ładunku po wstrzyknięciu otworu uczulonego na barwnik Zwykle powodowała niskie prądy fotokurrentów w p – DSC, a tym samym hamowała wydajność całego urządzenia.
naukowcy odkryli, że stosowanie barwników zawierających perylenemonoimid (PMI) jako akceptor i oligotiofen sprzężony z trifenyloaminą jako dawcą znacznie poprawia wydajność P-DSC poprzez zmniejszenie szybkości rekombinacji ładunku po wstrzyknięciu otworu uczulonego na barwnik. Naukowcy skonstruowali tandemowe urządzenie DSC z NiO po stronie p-DSC i TiO2 po stronie N-DSC. Dopasowanie fotoprądowe uzyskano poprzez regulację grubości folii NiO i TiO2 w celu kontroli absorpcji optycznej, a tym samym dopasowania fotoprądów obu elektrod. Sprawność konwersji energii urządzenia wynosi 1,91%, co przewyższa sprawność jego poszczególnych komponentów, ale nadal jest znacznie niższa niż w przypadku wysokowydajnych urządzeń n-DSC (6% -11%). Wyniki są nadal obiecujące, ponieważ tandem DSC był sam w sobie podstawowy. Dramatyczna poprawa wydajności w p-DSC może ostatecznie doprowadzić do urządzeń tandemowych o znacznie większej wydajności niż pojedyncze n-DSC.
jak wcześniej wspomniano, stosowanie elektrolitu w stanie stałym ma kilka zalet w porównaniu z układem ciekłym (takim jak brak wycieków i szybszy transport ładunku), co zostało również zrealizowane w przypadku fotokatod uczulonych na barwniki. Wykorzystując materiały transportujące elektrony, takie jak PCBM, TiO2 i ZnO, zamiast konwencjonalnego elektrolitu pary ciekłego redoksu, naukowcy zdołali wytworzyć półprzewodnikowe p-DSCs (p-ssDSCs), dążąc do półprzewodnikowych tandemowych ogniw słonecznych, które mają potencjał do osiągnięcia znacznie większych fotowoltaik niż ciekłe urządzenie tandemowe.