Celulă solară sensibilizată la colorant - Dye-sensitized solar cell

O selecție de celule solare sensibilizate la colorant.

O celulă solară sensibilizată la colorant ( celula DSSC , DSC , DYSC sau Grätzel ) este o celulă solară cu cost redus aparținând grupului de celule solare cu film subțire . Se bazează pe un semiconductor format între un anod fotosensibilizat și un electrolit , un sistem fotoelectrochimic . Versiunea modernă a unei celule solare colorante, cunoscută și sub denumirea de celulă Grätzel, a fost inițial co-inventată în 1988 de Brian O'Regan și Michael Grätzel la UC Berkeley și această lucrare a fost dezvoltată ulterior de către oamenii de știință menționați anterior la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) până la publicarea primului DSSC de înaltă eficiență în 1991. Michael Grätzel a primit premiul Millennium Technology Award 2010 pentru această invenție.

DSSC are o serie de caracteristici atractive; este simplu de realizat folosind tehnici convenționale de tipărire pe role, este semi-flexibil și semitransparent, ceea ce oferă o varietate de utilizări care nu se aplică sistemelor pe bază de sticlă, iar majoritatea materialelor utilizate sunt costuri reduse. În practică, s-a dovedit dificil să se elimine o serie de materiale scumpe, în special platină și ruteniu , iar electrolitul lichid prezintă o provocare serioasă pentru a face o celulă potrivită pentru utilizare pe toate timpurile. Deși eficiența conversiei sale este mai mică decât cele mai bune celule cu film subțire , în teorie raportul său preț / performanță ar trebui să fie suficient de bun pentru a le permite să concureze cu generarea electrică a combustibililor fosili, realizând paritatea rețelei . Aplicațiile comerciale, care au fost reținute din cauza problemelor de stabilitate chimică, au fost prognozate în Foaia de parcurs fotovoltaică a Uniunii Europene pentru a contribui semnificativ la generarea de energie regenerabilă până în 2020.

Tehnologia actuală: celule solare semiconductoare

Într - un tradițional solid-state semiconductor , o celulă solară este realizat din două cristale dopate, unul dopat cu impurități de tip n ( n-tip semiconductor ), care adaugă suplimentare de bandă liberă de conducere electroni , iar celălalt dopat cu impurități de tip p ( semiconductor de tip p ), care adaugă găuri electronice suplimentare . Când sunt puse în contact, unii dintre electronii din porțiunea de tip n curg în tipul p pentru a „completa” electronii lipsă, cunoscuți și sub denumirea de găuri de electroni. În cele din urmă, vor curge suficienți electroni peste graniță pentru a egaliza nivelurile Fermi ale celor două materiale. Rezultatul este o regiune la interfață, joncțiunea pn , unde purtătorii de încărcare sunt epuizați și / sau acumulați pe fiecare parte a interfeței. În siliciu, acest transfer de electroni produce o barieră potențială de aproximativ 0,6 până la 0,7 eV.

Atunci când sunt așezați la soare, fotonii soarelui pot excita electroni pe partea de tip p a semiconductorului, un proces cunoscut sub numele de fotoexcitație . In siliciu, radiația solară poate furniza suficientă energie pentru a împinge un electron din punct de vedere energetic inferior benzii de valență în valoare energetică mai mare banda de conducție . După cum sugerează și numele, electronii din banda de conducție sunt liberi să se miște în jurul siliciului. Când o sarcină este plasată pe celulă ca întreg, acești electroni vor curge din partea de tip p în partea de tip n, vor pierde energie în timp ce se deplasează prin circuitul extern și apoi vor reveni în materialul de tip p unde se pot re-combina din nou cu gaura de bandă de valență pe care au lăsat-o în urmă. În acest fel, lumina soarelui creează un curent electric.

În orice semiconductor, decalajul de bandă înseamnă că numai fotonii cu acea cantitate de energie sau mai mult vor contribui la producerea unui curent. În cazul siliciului, majoritatea luminii vizibile de la roșu la violet are suficientă energie pentru a face acest lucru. Din păcate, fotonii cu energie mai mare, cei de la capătul albastru și violet al spectrului, au energie mai mult decât suficientă pentru a traversa decalajul de bandă; deși o parte din această energie suplimentară este transferată în electroni, majoritatea acesteia este irosită ca căldură. O altă problemă este că, pentru a avea o șansă rezonabilă de a captura un foton, stratul de tip n trebuie să fie destul de gros. Acest lucru crește, de asemenea, șansa ca un electron proaspăt expulzat să se întâlnească cu o gaură creată anterior în material înainte de a ajunge la joncțiunea pn. Aceste efecte produc o limită superioară a eficienței celulelor solare din siliciu, în prezent între 12 și 15% pentru modulele comune și până la 25% pentru cele mai bune celule de laborator (33,16% este eficiența teoretică maximă pentru celulele solare cu o singură bandă, vezi Shockley –Limita Quisser .).

De departe cea mai mare problemă cu abordarea convențională este costul; celulele solare necesită un strat relativ gros de siliciu dopat pentru a avea rate de captare rezonabile ale fotonilor, iar procesarea siliciului este costisitoare. Au existat o serie de abordări diferite pentru a reduce acest cost în ultimul deceniu, în special abordările cu film subțire , dar până în prezent au văzut o aplicare limitată din cauza unei varietăți de probleme practice. O altă linie de cercetare a fost îmbunătățirea dramatică a eficienței prin abordarea multi-joncțiune , deși aceste celule au un cost foarte ridicat și sunt potrivite doar pentru implementări comerciale mari. În termeni generali, tipurile de celule adecvate pentru implementarea pe acoperiș nu s-au schimbat semnificativ în ceea ce privește eficiența, deși costurile au scăzut oarecum din cauza creșterii ofertei.

Celule solare sensibilizate la colorant

Tipul de celulă realizat la EPFL de Grätzel și O'Regan
Funcționarea unei celule Grätzel.

La sfârșitul anilor 1960 s-a descoperit că coloranții organici luminați pot genera electricitate la electrozii de oxid din celulele electrochimice. Într-un efort de a înțelege și simula procesele primare în fotosinteză, fenomenul a fost studiat la Universitatea din California la Berkeley cu clorofilă extrasă din spanac (abord bio-mimetic sau bionic). Pe baza acestor experimente, generarea de energie electrică prin principiul celulei solare de sensibilizare a coloranților (DSSC) a fost demonstrată și discutată în 1972. Instabilitatea celulei solare a colorantului a fost identificată ca o provocare principală. Eficiența sa ar putea, în următoarele două decenii, să fie îmbunătățită prin optimizarea porozității electrodului preparat din pulbere de oxid fin, dar instabilitatea a rămas o problemă.

Un DSSC modern de tip n, cel mai comun tip de DSSC, este compus dintr-un strat poros de nanoparticule de dioxid de titan , acoperit cu un colorant molecular care absoarbe lumina soarelui, precum clorofila din frunzele verzi. Dioxidul de titan este scufundat sub o soluție de electroliți , deasupra căreia se află un catalizator pe bază de platină . La fel ca într-o baterie alcalină convențională , un anod (dioxidul de titan) și un catod (platina) sunt plasate de ambele părți ale unui conductor lichid (electrolitul).

Principiul de lucru pentru DSSC de tip n poate fi rezumat în câțiva pași de bază. Lumina soarelui trece prin electrodul transparent în stratul de colorant, unde poate excita electroni care apoi curg în banda de conducere a semiconductorului de tip n , de obicei dioxid de titan. Electronii din dioxidul de titan curg apoi către electrodul transparent unde sunt colectați pentru alimentarea unei sarcini. După ce curg prin circuitul extern, acestea sunt reintroduse în celulă pe un electrod metalic din spate, cunoscut și sub numele de contraelectrod, și curg în electrolit. Electrolitul transportă apoi electronii înapoi la moleculele de colorant și regenerează colorantul oxidat.

Principiul de bază de lucru de mai sus este similar într-un DSSC de tip p, unde semiconductorul sensibilizat la colorant este de natură de tip p (de obicei oxid de nichel). Cu toate acestea, în loc să injecteze un electron în semiconductor, într-un DSSC de tip p, o gaură curge din vopsea în banda de valență a semiconductorului de tip p .

Celulele solare sensibilizate la colorant separă cele două funcții oferite de siliciu într-un design tradițional al celulelor. În mod normal, siliciul acționează atât ca sursă de fotoelectroni, cât și ca câmp electric pentru a separa sarcinile și a crea un curent. În celula solară sensibilizată la colorant, cea mai mare parte a semiconductorului este utilizată exclusiv pentru transportul încărcăturii, fotoelectronii sunt furnizați dintr-un colorant fotosensibil separat . Separarea sarcinii are loc la suprafețele dintre colorant, semiconductor și electrolit.

Moleculele de colorant sunt destul de mici (de dimensiuni nanometrice), deci pentru a capta o cantitate rezonabilă de lumină primită, stratul de molecule de colorant trebuie să fie destul de gros, mult mai gros decât moleculele în sine. Pentru a rezolva această problemă, un nanomaterial este folosit ca schelă pentru a deține un număr mare de molecule de colorant într-o matrice 3-D, crescând numărul de molecule pentru orice suprafață dată a celulei. În proiectele existente, această schelă este asigurată de materialul semiconductor, care servește dublu.

Materiale contraelectrod

Una dintre cele mai importante componente ale DSSC este contraelectrodul. După cum sa menționat anterior, contraelectrodul este responsabil pentru colectarea electronilor din circuitul extern și introducerea lor înapoi în electrolit pentru a cataliza reacția de reducere a navetei redox , în general I 3 - la I - . Astfel, este important ca contraelectrodul să aibă nu numai o conductivitate electronică ridicată și o capacitate difuzivă , ci și o stabilitate electrochimică, o activitate catalitică ridicată și o structură adecvată a benzii . Cel mai comun material contraelectrod utilizat în prezent este platina în DSSC, dar nu este durabil din cauza costurilor sale ridicate și a resurselor limitate. Astfel, multe cercetări s-au concentrat pe descoperirea de noi materiale hibride și dopate care pot înlocui platina cu performanțe electrocatalitice comparabile sau superioare. O astfel de categorie care este studiată pe scară largă include compușii de calcogen de cobalt , nichel și fier (CCNI), în special efectele morfologiei, stoichiometriei și sinergiei asupra performanței rezultate. S-a constatat că, pe lângă compoziția elementară a materialului, acești trei parametri au un impact semnificativ asupra eficienței rezultate a contraelectrodului. Desigur, există o varietate de alte materiale în curs de cercetare, cum ar fi carbonii foarte mezoporoși, materiale pe bază de staniu , nanostructuri de aur , precum și nanocristale pe bază de plumb. Cu toate acestea, secțiunea următoare compilează o varietate de eforturi de cercetare în curs legate în mod specific de CCNI în vederea optimizării performanței contraelectrodului DSSC.

Morfologie

Chiar și cu aceeași compoziție, morfologia nanoparticulelor care alcătuiesc contraelectrodul joacă un rol atât de important în determinarea eficienței fotovoltaicului global. Deoarece potențialul electrocatalitic al unui material depinde în mare măsură de cantitatea de suprafață disponibilă pentru a facilita difuzia și reducerea speciilor redox, numeroase eforturi de cercetare s-au concentrat spre înțelegerea și optimizarea morfologiei nanostructurilor pentru contra electrozi DSSC.

În 2017, Huang și colab. a utilizat diverși agenți tensioactivi într-o sinteză hidrotermală asistată de microemulsie a cristalelor compozite CoSe 2 / CoSeO 3 pentru a produce nanocuburi, nanoroduri și nanoparticule . Comparația acestor trei morfologii a arătat că nanoparticulele compozite hibride, având cea mai mare suprafață electroactivă, au avut cea mai mare eficiență de conversie a puterii de 9,27%, chiar mai mare decât omologul său de platină. Nu numai că, morfologia nanoparticulelor a afișat cea mai mare densitate de curent de vârf și cel mai mic decalaj de potențial între potențialele de vârf anodic și catodic, implicând astfel cea mai bună capacitate electrocatalitică.

Cu un studiu similar, dar cu un sistem diferit, Du et al. în 2017 a stabilit că oxidul ternar de NiCo 2 O 4 a avut cea mai mare eficiență de conversie a puterii și capacitatea electrocatalitică ca nanofloruri în comparație cu nanorodurile sau nanofoliile. Du și colab. a realizat că explorarea diferitelor mecanisme de creștere care ajută la exploatarea suprafețelor active mai mari ale nanoflorilor poate oferi o deschidere pentru extinderea aplicațiilor DSSC la alte domenii.

Stoichiometrie

Desigur, compoziția materialului care este utilizat ca contraelectrod este extrem de importantă pentru crearea unui fotovoltaic de lucru , deoarece benzile de energie de valență și conducere trebuie să se suprapună cu cele ale speciilor de electroliți redox pentru a permite schimbul eficient de electroni.

În 2018, Jin și colab. s-au pregătit filme ternare de selenură de nichel-cobalt (Ni x Co y Se) la diferite rapoarte stoichiometrice de nichel și cobalt pentru a înțelege impactul acestuia asupra performanței celulare rezultate. Se cunoaște că aliajele bimetalice de nichel și cobalt au o conducere și o stabilitate remarcabile a electronilor, astfel încât optimizarea stoechiometriei sale ar produce în mod ideal o performanță celulară mai eficientă și mai stabilă decât omologii săi metalici. Acesta este rezultatul pe care Jin și colab. s-a constatat, deoarece Ni 0,12 Co 0,80 Se a obținut o eficiență superioară de conversie a energiei (8,61%), o impedanță mai redusă a transferului de sarcină și o capacitate electrocatalitică mai mare decât atât omologii săi de platină, cât și cei de selenură binară.

Sinergie

Un ultim domeniu care a fost studiat activ este sinergia diferitelor materiale în promovarea performanțelor electroactive superioare. Fie prin diferite materiale de transport al încărcăturii, specii electrochimice sau morfologii, exploatarea relației sinergice dintre diferite materiale a deschis calea pentru materiale mai noi contra-electrozi.

În 2016, Lu și colab. microparticule mixte de sulfură de nichel-cobalt cu nanoflăcuri reduse de oxid de grafen (rGO) pentru a crea contraelectrodul. Lu și colab. a descoperit nu numai că rGO a acționat ca un co-catalizator în accelerarea reducerii triiodurii, dar și că microparticulele și rGO au avut o interacțiune sinergică care a scăzut rezistența la transferul de încărcare a sistemului general. Deși eficiența acestui sistem a fost ușor mai mică decât analogul său de platină (eficiența sistemului NCS / rGO: 8,96%; eficiența sistemului Pt: 9,11%), acesta a furnizat o platformă pe care pot fi efectuate cercetări suplimentare.

Constructie

În cazul designului original Grätzel și O'Regan , celula are 3 părți primare. Deasupra este un anod transparent realizat din dioxid de staniu dopat cu fluor (SnO 2 : F) depus pe spatele unei plăci (tipic de sticlă). Pe partea din spate a acestei plăci conductoare este un strat subțire de dioxid de titan (TiO 2 ), care se formează într-o structură foarte poroasă cu o suprafață extrem de ridicată . (TiO 2 ) este legat chimic printr - un proces numit sinterizare . TiO 2 absoarbe doar o mică parte din fotonii solari (cei din UV). Placa este apoi imersată într-un amestec de colorant fotosensibil ruteniu - polipiridil (numit și sensibilizatori moleculari) și un solvent . După înmuiere filmul în soluția colorantă, un strat subțire de vopsea este lăsat legat covalent la suprafața TiO 2 . Legătura este fie o legătură esterică, chelantă, fie bidentată.

O placă separată este apoi realizată cu un strat subțire de electrolit de iodură răspândit pe o foaie conductivă, în mod tipic platină metalică. Cele două plăci sunt apoi unite și sigilate împreună pentru a preveni scurgerea electrolitului. Construcția este suficient de simplă încât să existe kituri de hobby disponibile pentru a le construi manual. Deși utilizează o serie de materiale „avansate”, acestea sunt ieftine în comparație cu siliciul necesar pentru celulele normale, deoarece nu necesită etape costisitoare de fabricație. TiO 2 , de exemplu, este deja utilizat pe scară largă ca bază de vopsea.

Unul dintre dispozitivele DSSC eficiente folosește colorant molecular pe bază de ruteniu, de exemplu [Ru (4,4'-dicarboxi-2,2'-bipiridină) 2 (NCS) 2 ] (N3), care este legat de un fotoanod prin fracțiuni carboxilate . Fotoanodul este format dintr-o peliculă groasă de 12 μm cu nanoparticule transparente de 10-20 nm diametru TiO 2 acoperite cu o peliculă groasă de 4 μm cu particule mult mai mari (400 nm diametru) care împrăștie fotoni înapoi în filmul transparent. Colorantul excitat injectează rapid un electron în TiO 2 după absorbția luminii. Electronul injectat difuzează prin rețeaua de particule sinterizate pentru a fi colectat la electrodul de oxid transparent (TCO) din partea frontală, în timp ce colorantul este regenerat prin reducere printr-o navetă redox, I 3 - / I - , dizolvată într-o soluție. Difuzarea formei oxidate a navetei către contraelectrod completează circuitul.

Mecanismul DSSC

Următorii pași se transformă într-un foton convențional DSSC de tip n (lumină) în curent:

  1. Fotonul incident este absorbit de fotosensibilizator (de exemplu, complexul Ru) adsorbit pe suprafața TiO 2 .
  2. Fotosensibilizatorii sunt excitați de la starea fundamentală (S) la starea excitată (S ). Electronii excitați sunt injectați în banda de conducere a electrodului TiO 2 . Aceasta are ca rezultat oxidarea fotosensibilizatorului (S + ).
    S + hν → S

     

     

     

     

    ( 1 )

     

     

     

     

    ( 2 )

  3. Electronii injectați în banda de conducere a TiO 2 sunt transportați între nanoparticule de TiO 2 cu difuzie spre contactul din spate (TCO). Iar electronii ajung în cele din urmă la contraelectrodul prin circuit.
  4. Fotosensibilizatorul oxidat (S + ) acceptă electronii din mediatorul redox, de obicei mediator I - ion redox, ducând la regenerarea stării de bază (S), iar doi I -- ioni sunt oxidați la iod elementar care reacționează cu I - la stare oxidată, I 3 - .
    S + + e - → S

     

     

     

     

    ( 3 )

  5. Mediatorul redox oxidat, I 3 - , difuzează spre contraelectrod și apoi este redus la I - ioni.
    I 3 - + 2 e - → 3 I -

     

     

     

     

    ( 4 )

Eficiența unui DSSC depinde de patru niveluri de energie ale componentei: starea excitată (aproximativ LUMO ) și starea de bază (HOMO) a fotosensibilizatorului, nivelul Fermi al electrodului TiO 2 și potențialul redox al mediatorului (I - / I 3 - ) în electrolit.

Morfologie asemănătoare nanoplantei

În DSSC, electrozii au constat din nanoparticule semiconductoare sinterizate, în principal TiO 2 sau ZnO. Aceste DSSC de nanoparticule se bazează pe difuziunea limitată prin capcană prin nanoparticulele semiconductoare pentru transportul electronilor. Acest lucru limitează eficiența dispozitivului, deoarece este un mecanism de transport lent. Recombinarea este mai probabilă să apară la lungimi de undă mai mari ale radiației. Mai mult, sinterizarea nanoparticulelor necesită o temperatură ridicată de aproximativ 450 ° C, ceea ce restricționează fabricarea acestor celule la substraturi solide robuste și rigide. S-a dovedit că există o creștere a eficienței DSSC, dacă electrodul de nanoparticule sinterizat este înlocuit cu un electrod special conceput, care posedă o morfologie exotică „asemănătoare unei nanoplante”.

Operațiune

Într-un DSSC convențional de tip n, lumina soarelui pătrunde în celulă prin contactul transparent SnO 2 : F, lovind vopseaua de pe suprafața TiO 2 . Fotonii care lovesc vopseaua cu suficientă energie pentru a fi absorbiți creează o stare excitată a vopselei, din care un electron poate fi „injectat” direct în banda de conducere a TiO 2 . De acolo se deplasează prin difuzie (ca rezultat al unui gradient de concentrație de electroni ) la anodul clar de deasupra.

Între timp, molecula de colorant a pierdut un electron și molecula se va descompune dacă nu este furnizat un alt electron. Colorantul benzi de una din iodura în electrolit sub TiO 2 , oxidarea acestuia în triiodura . Această reacție apare destul de repede în comparație cu timpul necesar electronului injectat pentru a se recombina cu molecula de colorant oxidat, prevenind această reacție de recombinare care ar efectua scurtcircuitarea celulei solare.

Triiodura își recuperează apoi electronul lipsă prin difuzarea mecanică în partea de jos a celulei, unde contraelectrodul reintroduce electronii după ce curge prin circuitul extern.

Eficienţă

Mai multe măsuri importante sunt folosite pentru a caracteriza celulele solare. Cea mai evidentă este cantitatea totală de energie electrică produsă pentru o anumită cantitate de energie solară care strălucește pe celulă. Exprimat ca procent, acest lucru este cunoscut ca eficiența conversiei solare . Puterea electrică este produsul curentului și tensiunii, astfel încât valorile maxime pentru aceste măsurători sunt importante, de asemenea, J sc și respectiv V oc . În cele din urmă, pentru a înțelege fizica subiacentă, „eficiența cuantică” este utilizată pentru a compara șansa ca un foton (al unei anumite energii) să creeze un electron.

În termeni de eficiență cuantică , DSSC-urile sunt extrem de eficiente. Datorită „adâncimii” lor în nanostructură există șanse foarte mari ca un foton să fie absorbit, iar coloranții sunt foarte eficienți la transformarea lor în electroni. Majoritatea pierderilor mici care există în DSSC se datorează pierderilor de conducere în TiO 2 și electrodului clar sau pierderilor optice în electrodul frontal. Eficiența cuantică globală pentru lumina verde este de aproximativ 90%, 10% "pierdut" fiind în mare parte cauzat de pierderile optice din electrodul superior. Eficiența cuantică a desenelor și modelelor tradiționale variază, în funcție de grosimea lor, dar este aproximativ la fel ca DSSC.

În teorie, tensiunea maximă generată de o astfel de celulă este pur și simplu diferența dintre nivelul ( cvasi ) Fermi al TiO 2 și potențialul redox al electrolitului, aproximativ 0,7 V în condiții de iluminare solară (V oc ). Adică, dacă un DSSC iluminat este conectat la un voltmetru într-un „circuit deschis”, s-ar citi aproximativ 0,7 V. În ceea ce privește tensiunea, DSSC-urile oferă V oc puțin mai mare decât siliciu, aproximativ 0,7 V comparativ cu 0,6 V. Aceasta este o diferență destul de mică, deci diferențele din lumea reală sunt dominate de producția actuală, J sc .

Deși colorantul este extrem de eficient la transformarea fotonilor absorbiți în electroni liberi în TiO 2 , numai fotonii absorbiți de colorant produc în cele din urmă curent. Rata de absorbție a fotonilor depinde de spectrul de absorbție al stratului sensibilizat de TiO 2 și de spectrul fluxului solar. Suprapunerea dintre aceste două spectre determină fotocurentul maxim posibil. Moleculele colorante utilizate în mod obișnuit au, în general, o absorbție mai redusă în partea roșie a spectrului în comparație cu siliciu, ceea ce înseamnă că mai puțini fotoni din lumina soarelui sunt utilizabili pentru generația curentă. Acești factori limitează curentul generat de un DSSC, pentru comparație, o celulă solară tradițională pe bază de siliciu oferă aproximativ 35 m A / cm 2 , în timp ce DSSC-urile actuale oferă aproximativ 20 mA / cm 2 .

Eficiența globală de conversie a puterii de vârf pentru DSSC-urile actuale este de aproximativ 11%. Recordul actual al prototipurilor este de 15%.

Degradare

DSSC se degradează atunci când sunt expuse la radiații ultraviolete . În 2014, infiltrarea cu aer a stratului de transport al găurilor amorfo Spiro-MeOTAD, utilizat în mod obișnuit, a fost identificată ca fiind cauza principală a degradării, mai degrabă decât oxidarea. Deteriorarea ar putea fi evitată prin adăugarea unei bariere adecvate.

Stratul barieră poate include stabilizatori UV și / sau cromofori luminiscenți care absorb UV (care emit la lungimi de undă mai mari care pot fi reabsorbite de colorant) și antioxidanți pentru a proteja și îmbunătăți eficiența celulei.

Avantaje

DSSC sunt în prezent cea mai eficientă tehnologie solară din a treia generație (2005 Basic Research Solar Energy Utilization 16) disponibilă. Alte tehnologii de film subțire sunt de obicei cuprinse între 5% și 13%, iar panourile comerciale tradiționale din siliciu cu preț redus funcționează între 14% și 17%. Acest lucru face ca DSSC-urile să fie atractive ca înlocuitor pentru tehnologiile existente în aplicații de „densitate redusă”, cum ar fi colectoarele solare de pe acoperiș, unde robustețea mecanică și greutatea redusă a colectorului fără sticlă reprezintă un avantaj major. Este posibil ca acestea să nu fie la fel de atractive pentru implementări pe scară largă, unde celulele cu costuri mai mari cu eficiență mai mare sunt mai viabile, dar chiar și creșteri mici ale eficienței de conversie DSSC ar putea să le facă potrivite și pentru unele dintre aceste roluri.

Există un alt domeniu în care DSSC-urile sunt deosebit de atractive. Procesul de injectare a unui electron direct în TiO 2 este diferit calitativ de cel care apare într-o celulă tradițională, unde electronul este „promovat” în cristalul original. În teorie, având în vedere ratele reduse de producție, electronul cu energie ridicată din siliciu s-ar putea re-combina cu propria gaură, emanând un foton (sau altă formă de energie) care nu are ca rezultat generarea curentului. Deși acest caz particular poate să nu fie comun, este destul de ușor ca un electron generat de un alt atom să se combine cu o gaură lăsată în urmă într-o fotoexcitație anterioară.

În comparație, procesul de injecție utilizat în DSSC nu introduce o gaură în TiO 2 , ci doar un electron suplimentar. Deși este energetic posibil ca electronul să se recombineze din nou în colorant, viteza la care se produce acest lucru este destul de lentă în comparație cu rata în care colorantul recâștigă un electron din electrolitul din jur. Recombinarea direct din TiO 2 la specii din electrolit este de asemenea posibil , deși, din nou, pentru dispozitive optimizate această reacție este destul de lentă. Dimpotrivă, transferul de electroni de la electrodul acoperit cu platină la speciile din electrolit este neapărat foarte rapid.

Ca urmare a acestei „cinetice diferențiale” favorabile, DSSC funcționează chiar și în condiții de lumină slabă. Prin urmare, DSSC-urile pot funcționa sub cer înnorat și cu lumina soarelui non-directă, în timp ce modelele tradiționale ar suferi o „decupare” la o anumită limită inferioară de iluminare, atunci când mobilitatea purtătorului de încărcare este redusă și recombinarea devine o problemă majoră. Limita este atât de redusă încât chiar sunt propuse pentru utilizare în interior, colectând energie pentru dispozitivele mici de la luminile din casă.

Un avantaj practic pe care DSSC îl împărtășesc cu majoritatea tehnologiilor cu film subțire este acela că robustețea mecanică a celulei duce indirect la eficiențe mai mari la temperaturi mai ridicate. În orice semiconductor, creșterea temperaturii va promova niște electroni în banda de conducție „mecanic”. Fragilitatea celulelor tradiționale din siliciu necesită protejarea acestora împotriva elementelor, de obicei prin încastrarea lor într-o cutie de sticlă similară cu o seră , cu un suport metalic pentru rezistență. Astfel de sisteme suferă scăderi semnificative ale eficienței pe măsură ce celulele se încălzesc intern. DSSC-urile sunt construite în mod normal cu doar un strat subțire de plastic conductor pe stratul frontal, permițându-le să radieze căldura mult mai ușor și, prin urmare, să funcționeze la temperaturi interne mai scăzute.

Dezavantaje

Dezavantajul major pentru designul DSSC este utilizarea electrolitului lichid, care are probleme de stabilitate la temperatură. La temperaturi scăzute, electrolitul poate îngheța, oprind producția de energie și potențial ducând la deteriorarea fizică. Temperaturile mai ridicate determină extinderea lichidului, făcând etanșarea panourilor o problemă serioasă. Un alt dezavantaj este că sunt necesare ruteniu (colorant), platină (catalizator) și sticlă sau plastic (de contact) pentru a produce un DSSC. Un al treilea dezavantaj major este că soluția de electroliți conține compuși organici volatili (sau COV) , solvenți care trebuie sigilați cu atenție, deoarece sunt periculoși pentru sănătatea umană și pentru mediu. Acest lucru, alături de faptul că solvenții pătrund în plastic, a împiedicat aplicarea la scară largă în exterior și integrarea în structura flexibilă.

Înlocuirea electrolitului lichid cu un solid a fost un domeniu major de cercetare în curs. Experimentele recente folosind săruri topite solidificate au arătat unele promisiuni, dar în prezent suferă de o degradare mai mare în timpul funcționării continue și nu sunt flexibile.

Fotocatozi și celule tandem

Celulele solare sensibilizate cu coloranți funcționează ca un fotoanod (n-DSC), în care fotocurentul rezultă din injecția de electroni de către colorantul sensibilizat. Fotocatozii (p-DSC) funcționează într-un mod invers comparativ cu n-DSC convențional, unde excitația colorantului este urmată de transferul rapid de electroni de la un semiconductor de tip p la colorant (injecția orificiului sensibilizat la colorant, în loc de injecția electronică) . Astfel de p-DSC și n-DSC pot fi combinate pentru a construi celule solare tandem (pn-DSC), iar eficiența teoretică a DSC-urilor tandem este mult dincolo de cea a DSC-urilor cu o singură joncțiune.

O celulă tandem standard constă dintr-un n-DSC și unul p-DSC într-o configurație simplă sandwich cu un strat intermediar de electroliți. n-DSC și p-DSC sunt conectate în serie, ceea ce implică faptul că fotocurentul rezultat va fi controlat de cel mai slab fotoelectrod, în timp ce fotovoltajele sunt aditive. Astfel, potrivirea fotocurentului este foarte importantă pentru construirea de pn-DSC-uri tandem extrem de eficiente. Cu toate acestea, spre deosebire de n-DSC, recombinarea rapidă a încărcării după injectarea orificiului sensibilizat la colorant a dus, de obicei, la fotocurenți scăzuți în p-DSC și astfel a împiedicat eficiența dispozitivului general.

Cercetătorii au descoperit că utilizarea coloranților care conțin o perilenemonoimidă (PMI) ca acceptor și un oligotiofen cuplat la trifenilamină ca donator îmbunătățesc foarte mult performanța p-DSC prin reducerea ratei de recombinare a sarcinii în urma injectării cu găuri sensibilizate la colorant. Cercetătorii au construit un dispozitiv DSC tandem cu NiO pe partea p-DSC și TiO 2 pe partea n-DSC. Potrivirea fotocurentului a fost realizată prin ajustarea grosimilor filmului NiO și TiO 2 pentru a controla absorbțiile optice și, prin urmare, a se potrivi cu fotocurenții ambilor electrozi. Eficiența conversiei energetice a dispozitivului este de 1,91%, ceea ce depășește eficiența componentelor sale individuale, dar este încă mult mai mică decât cea a dispozitivelor n-DSC de înaltă performanță (6% –11%). Rezultatele sunt încă promițătoare, deoarece tandemul DSC era în sine rudimentar. Îmbunătățirea dramatică a performanței în p-DSC poate duce în cele din urmă la dispozitive tandem cu o eficiență mult mai mare decât n-DSC singulare.

După cum s-a menționat anterior, utilizarea unui electrolit în stare solidă are mai multe avantaje față de un sistem lichid (cum ar fi lipsa scurgerilor și transportul mai rapid al sarcinii), care a fost realizat și pentru fotocatozi sensibilizați la colorant. Folosind materiale de transport de electroni precum PCBM, TiO 2 și ZnO în locul electroliților convenționali cuplu redox lichid, cercetătorii au reușit să fabrice p-DSC-uri în stare solidă (p-ssDSC), având ca scop celule solare sensibilizate cu colorant tandem în stare solidă, care au potențialul de a realiza fotovoltaje mult mai mari decât un dispozitiv tandem lichid.

Dezvoltare

"Black Dye", un complex anionic de Ru-terpiridină

Coloranții utilizați în celulele experimentale timpurii (circa 1995) au fost sensibili doar la capătul de înaltă frecvență al spectrului solar, la UV și albastru. Au fost introduse rapid versiuni mai noi (circa 1999) care au avut un răspuns de frecvență mult mai larg, în special "triscarboxi-ruteniu terpiridină" [Ru (4,4 ', 4 "- (COOH) 3- terpy) (NCS) 3 ], care este eficient chiar în gama de frecvențe joase a luminii roșii și IR . Răspunsul spectral larg are ca rezultat colorantul având o culoare maro-negru profund și este denumit pur și simplu „colorant negru”. Coloranții au o șansă excelentă de a converti un foton. într-un electron, inițial în jur de 80%, dar îmbunătățindu-se până la conversia aproape perfectă în coloranții mai recenți, eficiența generală este de aproximativ 90%, 10% „pierdut” fiind în mare parte explicat de pierderile optice din electrodul superior.

O celulă solară trebuie să fie capabilă să producă energie electrică timp de cel puțin douăzeci de ani, fără o scădere semnificativă a eficienței ( durata de viață ). Sistemul „colorant negru” a fost supus la 50 de milioane de cicluri, echivalentul a zece ani de expunere la soare în Elveția. Nu s-a observat nici o scădere a performanței perceptibilă. Cu toate acestea, vopseaua este supusă defectării în situații de lumină puternică. În ultimul deceniu a fost realizat un amplu program de cercetare pentru a răspunde acestor preocupări. Coloranții mai noi au inclus tetrocianoboratul de 1-etil-3 metilimidazoliu [EMIB (CN) 4 ], care este extrem de stabil la temperatură și lumină, cupru-diseleniu [Cu (In, GA) Se 2 ], care oferă eficiențe mai mari de conversie, și altele cu proprietăți cu destinație specială variate.

DSSC sunt încă la începutul ciclului lor de dezvoltare. Câștigurile de eficiență sunt posibile și au început recent un studiu mai răspândit. Acestea includ utilizarea punctelor cuantice pentru conversia luminii cu energie mai mare (frecvență mai mare) în mai mulți electroni, utilizarea electroliților în stare solidă pentru un răspuns mai bun la temperatură și schimbarea dopajului TiO 2 pentru a se potrivi mai bine cu electrolitul utilizat.

Noi dezvoltări

2003

Un grup de cercetători de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) a crescut termostabilitatea DSC prin utilizarea sensibilizatorului amfifilic de ruteniu împreună cu un electrolit cu gel cvasi-solid. Stabilitatea dispozitivului se potrivește cu cea a unei celule solare convenționale pe bază de siliciu anorganic. Celula a susținut încălzirea timp de 1.000 de ore la 80 ° C.

Grupul a pregătit anterior un colorant amfiphilic de ruteniu Z-907 (cis-Ru (H 2 dcbpy) (dnbpy) (NCS) 2 , unde ligandul H 2 dcbpy este acidul 4,4'-dicarboxilic-2,2'-bipiridină și dnbpy este 4,4'-dinonil-2,2'-bipiridină) pentru a crește toleranța colorantului la apă în electroliți. În plus, grupul a pregătit, de asemenea, un electrolit de gel cvasi-solid cu un electrolit lichid pe bază de 3-metoxipropionitril (MPN) care a fost solidificat de un polimer fluor stabil din punct de vedere fotochimic, polivinilidenfluorură -co- hexafluoropropilenă (PVDF-HFP).

Utilizarea colorantului amfiphilic Z-907 împreună cu electrolitul gel polimeric în DSC a atins un randament de conversie a energiei de 6,1%. Mai important, dispozitivul a fost stabil în condiții de stres termic și înmuiat în lumină. Eficiența ridicată de conversie a celulei a fost susținută după încălzire timp de 1.000 de ore la 80 ° C, menținând 94% din valoarea sa inițială. După testarea accelerată într-un simulator solar pentru 1.000 de ore de înmuiere a luminii la 55 ° C (100 mW cm -2 ), eficiența scăzuse cu mai puțin de 5% pentru celulele acoperite cu un film de polimer absorbant ultraviolet. Aceste rezultate se încadrează mult în limita celulelor solare tradiționale din siliciu anorganic.

Performanța îmbunătățită poate apărea dintr-o scădere a permeabilității solventului peste etanșant datorită aplicării electrolitului cu gel polimeric. Electrolitul gel polimeric este cvasi-solid la temperatura camerei și devine un lichid vâscos (vâscozitate: 4,34 mPa · s) la 80 ° C comparativ cu electrolitul lichid tradițional (vâscozitate: 0,91 mPa · s). Stabilitățile mult îmbunătățite ale dispozitivului atât în ​​condiții de stres termic, cât și în condiții de înmuiere cu lumină nu au fost văzute până acum în DSC-uri și corespund criteriilor de durabilitate aplicate celulelor solare pentru utilizare în exterior, ceea ce face ca aceste dispozitive să fie viabile pentru o aplicare practică.

2006

Au fost raportate primele celule solare sensibilizate cu colorant solid-hibrid.

Pentru a îmbunătăți transportul de electroni în aceste celule solare, menținând în același timp suprafața ridicată necesară pentru adsorbția coloranților, doi cercetători au proiectat morfologii alternative ale semiconductorilor, cum ar fi matrici de nanofire și o combinație de nanofire și nanoparticule , pentru a oferi o cale directă către electrod prin banda de conducere semiconductoare. Astfel de structuri pot oferi un mijloc de a îmbunătăți eficiența cuantică a DSSC-urilor în regiunea roșie a spectrului, unde performanța lor este limitată în prezent.

În august 2006, pentru a dovedi robustețea chimică și termică a celulei solare 1-etil-3 metilimidazoliu tetracianoborat, cercetătorii au supus dispozitivele la încălzire la 80 ° C în întuneric timp de 1000 de ore, urmate de înmuiere ușoară la 60 ° C timp de 1000 de ore. După încălzirea întunecată și înmuierea în lumină, 90% din eficiența fotovoltaică inițială a fost menținută - prima dată a fost observată o astfel de stabilitate termică excelentă pentru un electrolit lichid care prezintă o eficiență de conversie atât de mare. Spre deosebire de celulele solare din siliciu , ale căror performanțe scad odată cu creșterea temperaturii, dispozitivele cu celule solare sensibilizate la colorant au fost influențate neglijabil doar la creșterea temperaturii de funcționare de la ambiant la 60 ° C.

Aprilie 2007

Wayne Campbell de la Universitatea Massey , Noua Zeelandă, a experimentat o mare varietate de coloranți organici pe bază de porfirină . În natură, porfirina este elementul de bază al hemoproteinelor , care includ clorofila în plante și hemoglobina la animale. El raportează eficiență de 5,6% folosind acești coloranți cu preț redus.

Iunie 2008

Un articol publicat în Nature Materials a demonstrat eficiența celulelor de 8,2% folosind un nou electrolit redox lichid fără solvenți constând dintr-o topire de trei săruri, ca alternativă la utilizarea solvenților organici ca soluție de electroliți. Deși eficiența cu acest electrolit este mai mică decât cele 11% livrate folosind soluțiile existente pe bază de iod, echipa este încrezătoare că eficiența poate fi îmbunătățită.

2009

Un grup de cercetători de la Georgia Tech a realizat celule solare sensibilizate la coloranți cu o suprafață eficientă mai mare prin înfășurarea celulelor în jurul unei fibre optice de cuarț . Cercetătorii au îndepărtat învelișul din fibrele optice, au crescut nanofire de oxid de zinc de -a lungul suprafeței, le-au tratat cu molecule de colorant, au înconjurat fibrele de un electrolit și o peliculă metalică care transportă electronii din fibră. Celulele sunt de șase ori mai eficiente decât o celulă de oxid de zinc cu aceeași suprafață. Fotonii sar în interiorul fibrei pe măsură ce călătoresc, deci există mai multe șanse să interacționeze cu celula solară și să producă mai mult curent. Aceste dispozitive colectează doar lumină la vârfuri, dar celulele viitoare din fibre ar putea fi făcute să absoarbă lumina pe toată lungimea fibrei, ceea ce ar necesita o acoperire care să fie conductivă și transparentă . Max Shtein de la Universitatea din Michigan a spus că un sistem de urmărire solară nu ar fi necesar pentru astfel de celule și ar funcționa în zilele înnorate când lumina este difuză.

2010

Cercetătorii de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne și de la Université du Québec à Montréal susțin că au depășit două dintre problemele majore ale DSC:

  • Au fost create „molecule noi” pentru electrolit , rezultând un lichid sau un gel transparent și necoroziv, care poate crește fotovoltajul și poate îmbunătăți producția și stabilitatea celulei.
  • La catod , platina a fost înlocuită cu sulfură de cobalt , care este mult mai puțin costisitoare, mai eficientă, mai stabilă și mai ușor de produs în laborator.

2011

Dyesol și Tata Steel Europe au anunțat în iunie dezvoltarea celui mai mare modul fotovoltaic sensibilizat la colorant din lume, tipărit pe oțel într-o linie continuă.

Dyesol și CSIRO au anunțat în octombrie finalizarea cu succes a celui de-al doilea reper în proiectul comun Dyesol / CSIRO. Directorul Dyesol, Gordon Thompson, a declarat: „Materialele dezvoltate în timpul acestei colaborări comune au potențialul de a avansa în mod semnificativ comercializarea DSC într-o serie de aplicații în care performanța și stabilitatea sunt cerințe esențiale. Dyesol este extrem de încurajat de progresele din chimie care permit producția a moleculelor țintă. Acest lucru creează o cale către utilizarea comercială imediată a acestor noi materiale. "

Dyesol și Tata Steel Europe au anunțat în noiembrie dezvoltarea țintită a oțelului solar BIPV competitiv Grid Parity, care nu necesită hrană subvenționată de către tarife. Acoperișurile TATA-Dyesol "Solar Steel" sunt în prezent instalate pe Centrul de anvelope pentru clădiri durabile (SBEC) din Shotton, Țara Galilor.

2012

Cercetătorii Universității Northwestern au anunțat o soluție la o problemă primară a DSSC-urilor, aceea a dificultăților în utilizarea și conținerea electrolitului lichid și a duratei de viață relativ scurte a dispozitivului. Acest lucru se realizează prin utilizarea nanotehnologiei și conversia electrolitului lichid într-un solid. Eficiența actuală este de aproximativ jumătate din celulele de siliciu, dar celulele sunt ușoare și pot avea un cost mult mai mic de producție.

2013

În ultimii 5-10 ani, a fost dezvoltat un nou tip de DSSC - celula solară sensibilizată la colorant în stare solidă. În acest caz, electrolitul lichid este înlocuit de unul dintre mai multe materiale conductoare de găuri solide. Din 2009 până în 2013, eficiența DSSC în stare solidă a crescut dramatic de la 4% la 15%. Michael Grätzel a anunțat fabricarea DSSC în stare solidă cu o eficiență de 15,0%, atinsă prin intermediul unui colorant hibrid perovskit CH 3 NH 3 PbI 3 , depus ulterior din soluțiile separate de CH 3 NH 3 I și PbI 2 .

Prima integrare arhitecturală a fost demonstrată la Centrul de Convenții SwissTech al EPFL , în parteneriat cu Romande Energie. Suprafața totală este de 300 m 2 , în 1400 module de 50 cm x 35 cm. Proiectat de artiștii Daniel Schlaepfer și Catherine Bolle.

2018

Cercetătorii au investigat rolul rezonanțelor plasmonice de suprafață prezente pe nanorodurile de aur în performanța celulelor solare sensibilizate la coloranți. Au descoperit că, odată cu creșterea concentrației de nanorod, absorbția luminii a crescut liniar; cu toate acestea, extracția încărcăturii a fost, de asemenea, dependentă de concentrație. Cu o concentrație optimizată, au descoperit că eficiența globală de conversie a puterii s-a îmbunătățit de la 5,31 la 8,86% pentru celulele solare sensibilizate la colorant Y123.

Sinteza unidimensionale TiO 2 nanostructuri direct pe substraturi de sticlă oxid de staniu dopat cu fluor a fost demonstrată cu succes printr - o două-stop solvothermal reacție. În plus, printr-un tratament cu TiO 2 sol, performanța celulelor nano- fire duale TiO 2 a fost îmbunătățită, atingând o eficiență de conversie a energiei de 7,65%.

S-au raportat contra-electrozi pe bază de oțel inoxidabil pentru DSSC, care reduc și mai mult costul în comparație cu contra-electrozii convenționali pe bază de platină și sunt potriviți pentru aplicații în exterior.

Cercetătorii de la EPFL au avansat DSSC-urile bazate pe electroliți redox cu complexe de cupru , care au obținut o eficiență de 13,1% în condiții standard AM1.5G, 100 mW / cm 2 și înregistrează o eficiență de 32% sub 1000 lux de lumină interioară.

Cercetătorii de la Universitatea Uppsala au folosit semiconductori de tip n în loc de electrolit redox pentru a fabrica celule solare sensibilizate cu coloranți de tip p în stare solidă.

Introducere pe piață

Mai mulți furnizori comerciali promit disponibilitatea DSC-urilor în viitorul apropiat:

  • Fujikura este un furnizor major de DSSC pentru aplicații în IoT, fabrici inteligente, agricultură și modelare a infrastructurii. (A se vedea: https://www.fujikura.co.jp/eng/newsrelease/products/2062445_11777.html ) și, de asemenea, ( https://dsc.fujikura.jp/en/ ).
  • Dyesol și -a deschis oficial noile unități de producție în Queanbeyan Australia la 7 octombrie 2008. Ulterior, a anunțat parteneriate cu Tata Steel (TATA-Dyesol) și Pilkington Glass (Dyetec-Solar) pentru dezvoltarea și fabricarea pe scară largă a DSC BIPV. Dyesol a intrat, de asemenea, în relații de lucru cu Merck, Umicore, CSIRO, Ministerul Japonez al Economiei și Comerțului, Singapore Aerospace Manufacturing și un joint-venture cu TIMO Korea (Dyesol-TIMO).
  • Solaronix, o companie elvețiană specializată în producția de materiale DSC din 1993, și-a extins sediul în 2010 pentru a găzdui o linie pilot de producție de module DSC.
  • SolarPrint a fost fondată în Irlanda în 2008 de Dr. Mazhar Bari, Andre Fernon și Roy Horgan. SolarPrint a fost prima entitate comercială din Irlanda implicată în fabricarea tehnologiei fotovoltaice. Inovația SolarPrint a fost soluția la electrolitul pe bază de solvent, care până în prezent a interzis comercializarea în masă a DSSC. Compania a intrat în administrare judiciară în 2014 și a fost lichidată.
  • G24innovations fondată în 2006, cu sediul în Cardiff , South Wales, Marea Britanie. La 17 octombrie 2007, a revendicat producția primelor pelicule subțiri sensibilizate cu coloranți de calitate comercială.
  • Sony Corporation a dezvoltat celule solare sensibilizate la coloranți cu o eficiență de conversie a energiei de 10%, un nivel considerat necesar pentru utilizare comercială.
  • Tasnee încheie un acord strategic de investiții cu Dyesol .
  • H.Glass a fost fondată în 2011 în Elveția. H.Glass a depus eforturi enorme pentru a crea un proces industrial pentru tehnologia DSSC - primele rezultate au fost prezentate la EXPO 2015 din Milano, la Pavilionul austriac. Reperul pentru DSSC este Turnul Științific din Austria - este cea mai mare instalație de DSSC din lume - realizată de tehnologiile SFL .
  • Exeger Operations AB , Suedia, a construit o fabrică în Stockholm cu o capacitate de 300.000 m2. SoftBank Group Corp. a realizat două investiții de 10 milioane USD în Exeger în cursul anului 2019. [1]

Vezi si

Referințe

linkuri externe