Färgkänslig solcell

i slutet av 1960-talet upptäcktes att upplysta organiska färgämnen kan generera elektricitet vid oxidelektroder i elektrokemiska celler. I ett försök att förstå och simulera de primära processerna i fotosyntes studerades fenomenet vid University of California i Berkeley med klorofyll extraherad från spenat (bio-mimetisk eller bionisk metod). På grundval av sådana experiment demonstrerades och diskuterades elektrisk kraftproduktion via dye sensitization solar cell (DSSC) – principen 1972. Instabiliteten hos färgämnet solcell identifierades som en huvudutmaning. Dess effektivitet kunde under de följande två decennierna förbättras genom att optimera elektrodens porositet framställd av fint oxidpulver, men instabiliteten förblev ett problem.en modern n – typ DSSC, den vanligaste typen av DSSC, består av ett poröst lager av titandioxid nanopartiklar, täckt med ett molekylärt färgämne som absorberar solljus, som klorofyll i gröna blad. Titandioxiden nedsänks under en elektrolytlösning, över vilken är en platinabaserad katalysator. Som i ett konventionellt alkaliskt batteri placeras en anod (titandioxiden) och en katod (platina) på vardera sidan av en vätskeledare (elektrolyten).

arbetsprincipen för n-typ DSSC kan sammanfattas i några grundläggande steg. Solljus passerar genom den transparenta elektroden in i färgskiktet där det kan excitera elektroner som sedan strömmar in i ledningsbandet för halvledaren n-typ, typiskt titandioxid. Elektronerna från titandioxid strömmar sedan mot den transparenta elektroden där de samlas in för att driva en belastning. Efter att ha flödat genom den externa kretsen återinförs de i cellen på en metallelektrod på baksidan, även känd som motelektroden, och strömmar in i elektrolyten. Elektrolyten transporterar sedan elektronerna tillbaka till färgämnesmolekylerna och regenererar det oxiderade färgämnet.

den grundläggande arbetsprincipen ovan är liknande i en p-typ DSSC, där den färgkänsliga halvledaren är av p-typ (typiskt nickeloxid). I stället för att injicera en elektron i halvledaren, i en p-typ DSSC, strömmar emellertid ett hål från färgämnet in i valensbandet av halvledaren av p-typ.

färgkänsliga solceller separerar de två funktionerna som tillhandahålls av kisel i en traditionell celldesign. Normalt fungerar kisel som både källa till fotoelektroner, samt att tillhandahålla det elektriska fältet för att separera laddningarna och skapa en ström. I den färgkänsliga solcellen används huvuddelen av halvledaren enbart för laddningstransport, fotoelektronerna tillhandahålls från ett separat ljuskänsligt färgämne. Laddningsseparation sker vid ytorna mellan färgämnet, halvledaren och elektrolyten.

färgämnesmolekylerna är ganska små (nanometerstorlek), så för att fånga en rimlig mängd inkommande ljus måste skiktet av färgämnesmolekyler göras ganska tjockt, mycket tjockare än själva molekylerna. För att ta itu med detta problem används ett nanomaterial som en byggnadsställning för att hålla ett stort antal färgämnesmolekyler i en 3D-matris, vilket ökar antalet molekyler för varje given yta av cellen. I befintliga konstruktioner tillhandahålls denna byggnadsställning av halvledarmaterialet, som tjänar dubbeldrift.

Counter elektrod MaterialsEdit

en av de viktigaste komponenterna i DSSC är counter elektroden. Som nämnts tidigare är motelektroden ansvarig för att samla elektroner från den externa kretsen och införa dem tillbaka i elektrolyten för att katalysera reduktionsreaktionen hos redoxbussen, i allmänhet I3 – till i-. Således är det viktigt för motelektroden att inte bara ha hög elektronledningsförmåga och diffusionsförmåga utan också elektrokemisk stabilitet, hög katalytisk aktivitet och lämplig bandstruktur. Det vanligaste kontraelektrodmaterialet som för närvarande används är platina i DSSCs, men är inte hållbart på grund av dess höga kostnader och knappa resurser. Således har mycket forskning fokuserats mot att upptäcka nya hybrid-och dopade material som kan ersätta platina med jämförbar eller överlägsen elektrokatalytisk prestanda. En sådan kategori som studeras allmänt inkluderar kalkogenföreningar av kobolt, nickel och järn (CCNI), särskilt effekterna av morfologi, stökiometri och synergi på den resulterande prestandan. Det har visat sig att förutom materialets elementära sammansättning påverkar dessa tre parametrar kraftigt den resulterande motelektrodeffektiviteten. Naturligtvis finns det en mängd andra material som för närvarande undersöks, såsom mycket mesoporösa kol, tennbaserade Material, Guld nanostrukturer, såväl som blybaserade nanokristaller. Följande avsnitt sammanställer emellertid en mängd pågående forskningsinsatser specifikt relaterade till CCNI mot optimering av DSSC-motelektrodens prestanda.

Morfologiedit

även med samma sammansättning spelar morfologin hos nanopartiklarna som utgör motelektroden en sådan integrerad roll för att bestämma effektiviteten hos den totala fotovoltaiken. Eftersom ett materials elektrokatalytiska potential är starkt beroende av mängden yta som är tillgänglig för att underlätta diffusion och reduktion av redoxarten har många forskningsinsatser fokuserats mot att förstå och optimera morfologin hos nanostrukturer för DSSC-motelektroder.

i 2017, Huang et al. utnyttjade olika ytaktiva ämnen i en mikroemulsionsassisterad hydrotermisk syntes av CoSe2/CoSeO3-kompositkristaller för att producera nanocubes, nanorods och nanopartiklar. Jämförelse av dessa tre morfologier avslöjade att hybridkompositnanopartiklarna, på grund av att de hade den största elektroaktiva ytan, hade den högsta effektomvandlingseffektiviteten på 9, 27%, ännu högre än dess platina motsvarighet. Inte bara det, nanopartikelmorfologin visade den högsta toppströmdensiteten och minsta potentiella klyftan mellan de anodiska och katodiska topppotentialerna, vilket innebär den bästa elektrokatalytiska förmågan.

med en liknande studie men ett annat system, Du et al. i 2017 bestämde att den ternära oxiden av NiCo2O4 hade störst effektomvandlingseffektivitet och elektrokatalytisk förmåga som nanoflowers jämfört med nanorods eller nanosheets. Du et al. insåg att utforska olika tillväxtmekanismer som hjälper till att utnyttja de större aktiva ytområdena av nanoflowers kan ge en öppning för att utvidga DSSC-applikationer till andra fält.

Stökiometriedit

naturligtvis är sammansättningen av materialet som används som motelektrod extremt viktigt för att skapa en fungerande fotovoltaisk, eftersom Valens-och ledningsenergiband måste överlappa de hos redoxelektrolytarterna för att möjliggöra effektiv elektronutbyte.

i 2018, Jin et al. beredd ternära nickel kobolt selenid (NixCoySe) filmer vid olika stökiometriska förhållanden av nickel och kobolt för att förstå dess inverkan på den resulterande cellprestanda. Nickel – och koboltbimetalllegeringar var kända för att ha enastående elektronledning och stabilitet, så optimering av stökiometri skulle helst ge en effektivare och stabil cellprestanda än dess enstaka metalliska motsvarigheter. Sådan är resultatet att Jin et al. som NI0.12co0. 80se uppnådde överlägsen effektomvandlingseffektivitet (8,61%), lägre laddningsimpedans och högre elektrokatalytisk förmåga än både dess platina och binära selenid motsvarigheter.

SynergyEdit

ett sista område som har studerats aktivt är synergin mellan olika material för att främja överlägsen elektroaktiv prestanda. Oavsett om det är genom olika laddningstransportmaterial, elektrokemiska arter eller morfologier, har utnyttjandet av det synergetiska förhållandet mellan olika material banat vägen för ännu nyare motelektrodmaterial.

i 2016, Lu et al. blandade nickel koboltsulfidmikropartiklar med reducerad grafenoxid (RGO) nanoflakes för att skapa motelektroden. Lu et al. upptäckte inte bara att rGO fungerade som en samkatalysator för att påskynda triiodidreduktionen, utan också att mikropartiklarna och rGO hade en synergistisk interaktion som minskade laddningsöverföringsmotståndet hos det övergripande systemet. Även om effektiviteten i detta system var något lägre än dess platinanalog (effektivitet för NCS/rGO-system: 8,96%; effektivitet för Pt-system: 9,11%), tillhandahöll den en plattform där ytterligare forskning kan genomföras.

ConstructionEdit

När det gäller den ursprungliga gr Exceptzel-och O ’ Regan-designen har cellen 3 primära delar. På toppen är en transparent anod gjord av fluordopad tenndioxid (SnO2:F) avsatt på baksidan av en (typiskt glas) platta. På baksidan av denna ledande platta finns ett tunt lager av titandioxid (TiO2), som bildar sig i en mycket porös struktur med en extremt hög ytarea. Den (TiO2) är kemiskt bunden av en process som kallas sintring. TiO2 absorberar bara en liten del av solfotonerna (de i UV). Plattan nedsänks sedan i en blandning av ett ljuskänsligt rutenium-polypyridylfärgämne (även kallat molekylära sensibilisatorer) och ett lösningsmedel. Efter blötläggning av filmen i färglösningen lämnas ett tunt lager av färgämnet kovalent bundet till ytan av TiO2. Bindningen är antingen en ester, kelaterande eller bidentat överbryggande koppling.

en separat platta tillverkas sedan med ett tunt lager av jodidelektrolyten spridd över ett ledande ark, typiskt platinametall. De två plattorna förenas sedan och förseglas för att förhindra att elektrolyten läcker. Konstruktionen är enkel nog att det finns hobbysatser tillgängliga för handkonstruktion. Även om de använder ett antal ”avancerade” material är dessa billiga jämfört med det kisel som behövs för normala celler eftersom de inte kräver några dyra tillverkningssteg. TiO2, till exempel, används redan i stor utsträckning som färgbas.

en av de effektiva DSSCs-enheterna använder ruteniumbaserat molekylärt färgämne, t.ex. (N3), som är bunden till en fotoanod via karboxylatdelar. Photoanode består av 12 occurm tjock film av transparenta 10-20 nm diameter TiO2 nanopartiklar täckta med en 4 occurm tjock film av mycket större (400 nm diameter) partiklar som sprider fotoner tillbaka i den transparenta filmen. Det upphetsade färgämnet injicerar snabbt en elektron i TiO2 efter ljusabsorption. Den injicerade elektronen diffunderar genom det sintrade partikelnätet för att samlas upp på framsidan transparent ledande oxid (TCO) elektrod, medan färgämnet regenereras via reduktion med en redoxbuss, I3−/i−, upplöst i en lösning. Diffusion av den oxiderade formen av pendeln till motelektroden fullbordar kretsen.

mekanism för DSSCsEdit

följande steg konverterar i en konventionell N-typ DSSC-fotoner (ljus) till ström:

effektiviteten hos en DSSC beror på fyra energinivåer för komponenten: det upphetsade tillståndet (ungefär lumo) och marktillståndet (homo) för fotosensibiliseraren, Fermi−nivån för TiO2− elektroden och redoxpotentialen hos mediatorn (i – /I3 -) i elektrolyten.

Nanoplantliknande morfologiedit

i DSSC bestod elektroder av sintrade halvledande nanopartiklar, huvudsakligen TiO2 eller ZnO. Dessa nanopartiklar DSSCs förlita sig på fälla-begränsad diffusion genom halvledarnanopartiklar för elektrontransport. Detta begränsar enhetens effektivitet eftersom det är en långsam transportmekanism. Rekombination är mer sannolikt att inträffa vid längre våglängder av strålning. Dessutom kräver sintring av nanoparticles en kicktemperatur av omkring 450 cccvilket begränsar fabriceringen av dessa celler till robusta, styva fasta substrates. Det har bevisats att det finns en ökning av effektiviteten hos DSSC, om den sintrade nanopartikelelektroden ersätts av en specialdesignad elektrod som har en exotisk ’nanoplantliknande’ morfologi.

OperationEdit

i en konventionell DSSC av N-typ kommer solljus in i cellen genom den transparenta SnO2:F-toppkontakten och slår färgämnet på TiO2-ytan. Fotoner som slår färgämnet med tillräckligt med energi för att absorberas skapar ett upphetsat tillstånd av färgämnet, från vilket en elektron kan ”injiceras” direkt i TiO2-ledningsbandet. Därifrån rör den sig genom diffusion (som ett resultat av en elektronkoncentrationsgradient) till den klara anoden ovanpå.

under tiden har färgmolekylen förlorat en elektron och molekylen sönderdelas om en annan elektron inte tillhandahålls. Färgämnet remsor en från jodid i elektrolyt under TiO2, oxiderar den till triiodid. Denna reaktion sker ganska snabbt jämfört med den tid det tar för den injicerade elektronen att rekombinera med den oxiderade färgmolekylen, vilket förhindrar denna rekombinationsreaktion som effektivt skulle kortsluta solcellen.

triiodiden återvinner sedan sin saknade elektron genom att mekaniskt diffundera till botten av cellen, där motelektroden återinför elektronerna efter att ha flödat genom den externa kretsen.

EfficiencyEdit

flera viktiga åtgärder används för att karakterisera solceller. Det mest uppenbara är den totala mängden elkraft som produceras för en viss mängd solenergi som lyser på cellen. Uttryckt i procent är detta känt som solomvandlingseffektiviteten. Elektrisk kraft är produkten av ström och spänning, så de maximala värdena för dessa mätningar är också viktiga, Jsc respektive Voc. Slutligen, för att förstå den underliggande fysiken, används ”kvanteffektiviteten” för att jämföra chansen att en foton (av en viss energi) kommer att skapa en elektron.

i termer av kvanteffektivitet är DSSC extremt effektiva. På grund av deras” djup ” i nanostrukturen finns det en mycket stor chans att en foton kommer att absorberas, och färgämnena är mycket effektiva för att omvandla dem till elektroner. De flesta av de små förlusterna som finns i DSSC beror på ledningsförluster i TiO2 och den klara elektroden eller optiska förluster i den främre elektroden. Den totala kvanteffektiviteten för grönt ljus är cirka 90%, med de ”förlorade” 10% som till stor del står för de optiska förlusterna i toppelektroden. Kvanteffektiviteten hos traditionella mönster varierar beroende på deras tjocklek, men är ungefär samma som DSSC.

i teorin är den maximala spänningen som genereras av en sådan cell helt enkelt skillnaden mellan (kvasi-)Fermi-nivån för TiO2 och elektrolytens redoxpotential, cirka 0,7 V under solbelysningsförhållanden (Voc). Det vill säga om en upplyst DSSC är ansluten till en voltmeter i en ”öppen krets”, skulle den läsa om 0,7 V. När det gäller spänning erbjuder DSSC något högre Voc än kisel, cirka 0,7 V jämfört med 0,6 V. Detta är en ganska liten skillnad, så verkliga skillnader domineras av nuvarande produktion, Jsc.

även om färgämnet är mycket effektivt vid omvandling av absorberade fotoner till fria elektroner i TiO2, producerar endast fotoner som absorberas av färgämnet slutligen ström. Fotonabsorptionshastigheten beror på absorptionsspektrumet för det sensibiliserade TiO2-skiktet och på solflödesspektret. Överlappningen mellan dessa två spektra bestämmer den maximala möjliga fotokurrenten. Typiskt använda färgämnesmolekyler har i allmänhet sämre absorption i den röda delen av spektrumet jämfört med kisel, vilket innebär att färre av fotonerna i solljus är användbara för nuvarande generation. Dessa faktorer begränsar strömmen som genereras av en DSSC, för jämförelse erbjuder en traditionell kiselbaserad solcell cirka 35 mA/cm2, medan nuvarande DSSC erbjuder cirka 20 mA/cm2.

Total toppeffektomvandlingseffektivitet för nuvarande DSSC är cirka 11%. Nuvarande rekord för prototyper ligger på 15%.

Nedbrytningredigera

DSSC: er försämras när de utsätts för ultraviolett strålning. 2014 identifierades luftinfiltrering av det vanligt använda amorfa Spiro-MeOTAD-håltransportskiktet som den främsta orsaken till nedbrytningen snarare än oxidation. Skadan kan undvikas genom tillsats av en lämplig barriär.

barriärskiktet kan innefatta UV-stabilisatorer och / eller UV-absorberande luminescerande kromoforer (som avger vid längre våglängder som kan återabsorberas av färgämnet) och antioxidanter för att skydda och förbättra cellens effektivitet.

Fördelaredit

DSSC är för närvarande den mest effektiva tredje generationens (2005 grundforskning solenergi utnyttjande 16) solteknik tillgänglig. Andra tunnfilmstekniker är vanligtvis mellan 5% och 13%, och traditionella billiga kommersiella kiselpaneler fungerar mellan 14% och 17%. Detta gör DSSC: er attraktiva som ersättning för befintlig teknik i applikationer med ”låg densitet” som solfångare på taket, där den mekaniska robustheten och den lätta vikten hos den glasfria kollektorn är en stor fördel. De kanske inte är lika attraktiva för storskaliga distributioner där celler med högre kostnad med högre effektivitet är mer livskraftiga, men även små ökningar av DSSC-omvandlingseffektiviteten kan göra dem lämpliga för några av dessa roller också.

det finns ett annat område där DSSC är särskilt attraktiva. Processen att injicera en elektron direkt i TiO2 skiljer sig kvalitativt från den som förekommer i en traditionell cell, där elektronen ”främjas” inom den ursprungliga kristallen. I teorin, med tanke på låga produktionshastigheter, kan högenergielektronen i kisel åter kombineras med sitt eget hål och avger en foton (eller annan form av energi) som inte resulterar i att strömmen genereras. Även om detta speciella fall kanske inte är vanligt, är det ganska lätt för en elektron som genereras av en annan atom att kombinera med ett hål kvar i en tidigare fotoexcitation.

i jämförelse introducerar injektionsprocessen som används i DSSC inte ett hål i TiO2, bara en extra elektron. Även om det är energiskt möjligt för elektronen att rekombinera tillbaka i färgämnet, är hastigheten vid vilken detta inträffar ganska långsam jämfört med den hastighet som färgämnet återvinner en elektron från den omgivande elektrolyten. Rekombination direkt från TiO2 till arter i elektrolyten är också möjlig, men för optimerade enheter är denna reaktion ganska långsam. Tvärtom är elektronöverföring från den platinbelagda elektroden till arter i elektrolyten nödvändigtvis mycket snabb.

som ett resultat av dessa gynnsamma ”differentialkinetik” fungerar DSSC även i svagt ljus. DSSC: er kan därför arbeta under molnig himmel och icke-direkt solljus, medan traditionella mönster skulle drabbas av en ”cutout” vid någon lägre belysningsgräns, när laddningsbärarens rörlighet är låg och rekombination blir en viktig fråga. Avstängningen är så låg att de till och med föreslås för inomhusbruk och samlar energi för små enheter från lamporna i huset.

en praktisk fördel som DSSC delar med de flesta tunnfilmstekniker är att cellens mekaniska robusthet indirekt leder till högre effektivitet vid högre temperaturer. I vilken halvledare som helst kommer ökande temperatur att främja vissa elektroner i ledningsbandet ”mekaniskt”. Bräckligheten hos traditionella kiselceller kräver att de skyddas från elementen, vanligtvis genom att innesluta dem i en glaslåda som liknar ett växthus, med ett metallunderlag för styrka. Sådana system drabbas av märkbara effektivitetsminskningar när cellerna värms upp internt. DSSC: er är normalt byggda med endast ett tunt lager ledande plast på det främre skiktet, vilket gör att de kan utstråla värme mycket lättare och därför arbeta vid lägre inre temperaturer.

Nackdelaredit

den största nackdelen med DSSC-designen är användningen av den flytande elektrolyten, som har temperaturstabilitetsproblem. Vid låga temperaturer kan elektrolyten frysa, stoppa kraftproduktionen och potentiellt leda till fysisk skada. Högre temperaturer gör att vätskan expanderar, vilket gör att panelerna är ett allvarligt problem. En annan nackdel är att dyrt rutenium (färgämne), platina (katalysator) och ledande glas eller plast (kontakt) behövs för att producera en DSSC. En tredje stor nackdel är att elektrolytlösningen innehåller flyktiga organiska föreningar (eller VOC: er), lösningsmedel som måste förseglas noggrant eftersom de är farliga för människors hälsa och miljön. Detta, tillsammans med det faktum att lösningsmedlen genomtränger plast, har uteslutit storskalig utomhusapplikation och integration i flexibel struktur.

att ersätta den flytande elektrolyten med en fast substans har varit ett stort pågående forskningsområde. Nya experiment med stelnade smälta salter har visat något löfte, men lider för närvarande av högre nedbrytning under fortsatt drift och är inte flexibla.

Fotokatoder och tandemcellerredigera

färgkänsliga solceller fungerar som en fotoanod (n-DSC), där fotokurren härrör från elektroninjektion av det sensibiliserade färgämnet. Fotokatoder (p-DSC) fungerar i ett omvänt läge jämfört med den konventionella n-DSC, där färgämnesexcitering följs av snabb elektronöverföring från en halvledare av p-typ till färgämnet (färgkänslig hålinjektion istället för elektroninjektion). Sådana p-DSCs och n-DSCs kan kombineras för att konstruera tandem solceller (pn-DSCs) och den teoretiska effektiviteten hos tandem DSCs är långt bortom den för enstaka DSCs.

en standard tandemcell består av en n-DSC och en p-DSC i en enkel sandwichkonfiguration med ett mellanliggande elektrolytlager. n-DSC och p-DSC är anslutna i serie, vilket innebär att den resulterande fotokurrenten kommer att styras av den svagaste fotoelektroden, medan fotovoltager är additiva. Således är fotokurrent matchning mycket viktigt för konstruktionen av högeffektiva tandem pn-DSCs. Till skillnad från n-DSCs resulterade emellertid snabbladdningsrekombination efter färgkänslig hålinjektion vanligtvis i låga fotokräm i p-DSC och hindrade därmed effektiviteten hos den totala anordningen.

forskare har funnit att användning av färgämnen innefattande en perylenemonoimid (PMI) som acceptor och en oligotiofen kopplad till trifenylamin som donator förbättrar prestandan för p-DSC avsevärt genom att minska laddningsrekombinationshastigheten efter färgkänslig hålinjektion. Forskarna konstruerade en tandem DSC-enhet med NiO på p-DSC-sidan och TiO2 på n-DSC-sidan. Fotokurrens matchning uppnåddes genom justering av NiO-och TiO2-filmtjocklekar för att styra de optiska absorptionerna och därför matcha fotokurrenterna hos båda elektroderna. Enhetens energiomvandlingseffektivitet är 1,91%, vilket överstiger effektiviteten hos dess enskilda komponenter, men är fortfarande mycket lägre än för högpresterande n-DSC-enheter (6% -11%). Resultaten är fortfarande lovande eftersom tandem DSC i sig var rudimentär. Den dramatiska förbättringen av prestanda i p-DSC kan så småningom leda till tandemanordningar med mycket större effektivitet än ensamma n-DSC.

som tidigare nämnts har användning av en fast tillståndselektrolyt flera fördelar jämfört med ett vätskesystem (såsom inget läckage och snabbare laddningstransport), vilket också har realiserats för färgkänsliga fotokatoder. Med hjälp av elektrontransporterande material som PCBM, TiO2 och ZnO istället för den konventionella flytande redoxparelektrolyten har forskare lyckats tillverka solid state p-DSCs (p-ssDSCs), som syftar till solid state tandem dye sensibiliserade solceller, som har potential att uppnå mycket större solceller än en flytande tandemanordning.