Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое Ячейка Гретцеля, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое Ячейка Гретцеля, DSSC, солнечные батареи , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Источники питания радиоэлектронной аппаратуры.
Сенсибилизированные красителем солнечные батареи — фотоэлектрохимические ячейки, в которых используются фоточувствительные мезопористые оксидные полупроводники с широкой запрещенной зоной. Эти ячейки изобретены в 1991 году Гретцелем и др., по имени которого и получили название ячеек Гретцеля.
Солнечные батареи этого типа многообещающи, поскольку изготавливаются из дешевых материалов и не требуют сложной аппаратуры при производстве. Ячейки имеют простую структуру, состоят из двух электродов и иодсодержащего электролита. Один электрод состоит из высокопористого насыщенного красителем диоксида титана (TiO2), нанесенного на прозрачную электропроводящую подложку. Другим электродом является просто прозрачная электропроводящая подложка. Работа ячейки часто сравнивается с фотосинтезом, поскольку оба процесса используют окислительно-восстановительную реакцию, протекающую в электролите . Эффективность преобразования энергии в ячейке еще не достигла уровня кремниевых солнечных батарей. В настоящее время она составляет около 10 %. Теоретически возможно достичь уровня в 33 %.
Он основан на полупроводнике, образованном между светочувствительным анодом и электролитом , фотоэлектрохимической системой. Современная версия окрашенного солнечного элемента, также известного как элемент Грэцела, была первоначально изобретена в 1988 году Брайаном О'Реганом и Майклом Грэтзелом в Калифорнийском университете в Беркли [3].и эта работа была позже разработана вышеупомянутыми учеными в Fédérale de Lausanne Политехнической школы до публикации первого высокоэффективного DSSC в 1991 году. [4] Михаэль Гретцель был удостоен Премии тысячелетия в области технологий за это изобретение в 2010 году . [5]
DSSC имеет ряд привлекательных особенностей; Он прост в изготовлении с использованием традиционных технологий рулонной печати, является полугибким и полупрозрачным, что предлагает множество применений, не применимых к системам на основе стекла, и большинство используемых материалов являются дешевыми. На практике оказалось трудно исключить ряд дорогих материалов, в частности платину и рутений , и жидкий электролит представляет собой серьезную проблему для создания элемента, пригодного для использования в любых погодных условиях. Хотя его эффективность преобразования ниже, чем у лучших тонкопленочных элементов , теоретически соотношение цена / качество должно быть достаточно хорошим, чтобы позволить им конкурировать с выработкой электроэнергии на ископаемом топливе.путем достижения четности сетки . Коммерческие применения, которые были приостановлены из-за проблем химической стабильности, [6] , согласно прогнозу в « Дорожной карте фотоэлектрических систем» Европейского Союза, внесут значительный вклад в производство электроэнергии из возобновляемых источников к 2020 году.
В традиционном твердотельном полупроводнике , А солнечный элемент выполнен из двух кристаллов легированных, один легированных с примесями п-типа ( п-типа полупроводник ), которые добавляют дополнительные полосу свободной проводимости электронов , а другие легированной примеси р-типа ( полупроводник p-типа ), который добавляет дополнительные электронные дыры . При соприкосновении некоторые из электронов в части n-типа перетекают в р-тип, чтобы «заполнить» недостающие электроны, также известные как электронные дыры. В конце концов через границу протечет достаточно электронов, чтобы выровнять уровни Ферми двух материалов. Результатом является область на границе раздела, pn-переходгде носители заряда истощаются и / или накапливаются на каждой стороне интерфейса. В кремнии, этот перенос электронов создает потенциальный барьер приблизительно от 0,6 до 0,7 V . [7]
При помещении на солнце фотоны солнечного света могут возбуждать электроны на стороне p-типа полупроводника, процесс, известный как фотовозбуждение . В кремнии солнечный свет может обеспечить достаточно энергии, чтобы вытолкнуть электрон из валентной зоны с более низкой энергией в зону проводимости с более высокой энергией . Как следует из названия, электроны в зоне проводимости могут свободно перемещаться по кремнию. Когда нагрузка размещается на элементе в целом, эти электроны будут вытекать из стороны p-типа в сторону n-типа, терять энергию при движении по внешней цепи, а затем возвращаться обратно в материал p-типа, где они могут снова объединиться с дырой в валентной зоне, которую они оставили позади. Таким образом, солнечный свет создает электрический ток.[7]
В любом полупроводнике ширина запрещенной зоныозначает, что только фотоны с таким количеством энергии или более будут способствовать созданию тока. В случае кремния большая часть видимого света от красного до фиолетового имеет достаточно энергии, чтобы это произошло. К сожалению, фотоны с более высокой энергией, те, что находятся на синем и фиолетовом концах спектра, имеют более чем достаточно энергии, чтобы пересечь запрещенную зону; хотя часть этой дополнительной энергии передается электронам, большая часть ее теряется в виде тепла. Другая проблема заключается в том, что для того, чтобы иметь разумную вероятность захвата фотона, слой n-типа должен быть достаточно толстым. Это также увеличивает вероятность того, что свежеизлученный электрон встретится с ранее созданной дырой в материале, прежде чем достигнет pn-перехода. Эти эффекты дают верхний предел эффективности кремниевых солнечных элементов,[8] см. Предел Шокли – Кейссера .).
Безусловно самая большая проблема с традиционным подходом - стоимость; солнечные элементы требуют относительно толстого слоя легированного кремния, чтобы иметь разумные скорости захвата фотонов, а обработка кремния стоит дорого. В течение последнего десятилетия существовал целый ряд различных подходов к снижению этих затрат, в частности, подходы на тонких пленках, но на сегодняшний день их применение ограничено из-за множества практических проблем. Еще одно направление исследований заключается в том, чтобы значительно повысить эффективность с помощью многопереходныхподход, хотя эти ячейки очень дороги и подходят только для крупных коммерческих развертываний. В общих чертах, типы ячеек, подходящих для развертывания на крыше, существенно не изменились по эффективности, хотя затраты несколько снизились из-за увеличения поставок.
Тип ячейки, изготовленной в EPFL Гретцелем и О'Реганом
Принцип действия ячейки Гретцеля.
В конце 1960-х годов было обнаружено, что освещенные органические красители могут генерировать электричество на оксидных электродах в электрохимических ячейках. [9] В попытке понять и смоделировать первичные процессы в фотосинтезе это явление было изучено в Калифорнийском университете в Беркли с хлорофиллом, извлеченным из шпината (био-миметический или бионический подход). [10] На основе таких экспериментов в 1972 году была продемонстрирована и обсуждена выработка электроэнергии по принципу сенсибилизации красителя (DSSC). [11]Нестабильность красителя солнечного элемента была определена как основная проблема. Его эффективность в течение следующих двух десятилетий может быть улучшена путем оптимизации пористости электрода, приготовленного из тонкодисперсного порошка оксида, но нестабильность оставалась проблемой. [12]
Современный DSSC состоит из пористого слоя наночастиц диоксида титана , покрытого молекулярным красителем, который поглощает солнечный свет, как хлорофилл в зеленых листьях. Диоксид титана погружают в раствор электролита , над которым находится катализатор на основе платины . Как и в обычной щелочной батарее , анод (диоксид титана) и катод (платина) расположены по обе стороны от жидкого проводника (электролит).
Солнечный свет проходит через прозрачный электрод в слой красителя, где он может возбуждать электроны, которые затем попадают в диоксид титана. Электроны текут к прозрачному электроду, где они собираются для питания нагрузки. После прохождения через внешнюю цепь они снова вводятся в ячейку на металлическом электроде на задней стенке, поступая в электролит. Затем электролит переносит электроны обратно к молекулам красителя.
Сенсибилизированные красителем солнечные элементы разделяют две функции, обеспечиваемые кремнием в традиционной конструкции элемента. Обычно кремний действует как источник фотоэлектронов, а также обеспечивает электрическое поле для разделения зарядов и создания тока. В сенсибилизированном красителем солнечном элементе основная часть полупроводника используется исключительно для переноса заряда, фотоэлектроны предоставляются от отдельного светочувствительного красителя . Разделение заряда происходит на поверхностях между красителем, полупроводником и электролитом.
Молекулы красителя довольно малы (нанометрового размера), поэтому для захвата достаточного количества поступающего света слой молекул красителя должен быть сделан достаточно толстым, намного толще, чем сами молекулы. Для решения этой проблемы наноматериал используется в качестве каркаса для удержания большого количества молекул красителя в трехмерной матрице, увеличивая количество молекул для любой заданной площади поверхности ячейки. В существующих конструкциях эти леса обеспечиваются полупроводниковым материалом, который выполняет двойную функцию.
В случае оригинального дизайна Grätzel и O'Regan , ячейка состоит из 3 основных частей. Сверху расположен прозрачный анод из легированного фторидом диоксида олова (SnO 2 : F), нанесенный на тыльную сторону (обычно стеклянной) пластины. На обратной стороне этой проводящей пластины находится тонкий слой диоксида титана (TiO 2 ), который превращается в высокопористую структуру с чрезвычайно большой площадью поверхности . (TiO 2 ) химически связан процессом, называемым спеканием . TiO 2 поглощает только небольшую часть солнечных фотонов (тех, что в УФ). [13] Затем пластину погружают в смесь светочувствительного рутения - полипиридильного красителя (также называемого молекулярными сенсибилизаторами [13] ) и растворителя . После замачивания пленки в растворе красителя тонкий слой красителя остается ковалентно связанным с поверхностью TiO 2 . Связь представляет собой сложноэфирную, хелатную или бидентатную мостиковую связь.
Затем изготавливают отдельную пластину с тонким слоем йодистого электролита, распределенного по проводящему листу, обычно металлическому платину . Затем две пластины соединяются и герметизируются, чтобы предотвратить утечку электролита. Конструкция достаточно проста, так что есть хобби-наборы для их создания вручную. [14] Хотя они используют ряд «продвинутых» материалов, они недороги по сравнению с кремнием, необходимым для нормальных элементов, потому что они не требуют дорогостоящих этапов производства. Например, TiO 2 уже широко используется в качестве основы для краски.
В одном из эффективных устройств DSSC используется молекулярный краситель на основе рутения, например [Ru (4,4'-дикарбокси-2,2'-бипиридин) 2 (NCS) 2 ] (N3), который связан с фотоанодом через карбоксилатные фрагменты , Фотоанод состоит из пленки толщиной 12 мкм из прозрачных наночастиц TiO 2 диаметром 10–20 нм, покрытых пленкой толщиной 4 мкм, состоящей из частиц гораздо большего размера (диаметром 400 нм), которые рассеивают фотоны обратно в прозрачную пленку. Возбужденный краситель быстро впрыскивает электрон в TiO 2 после поглощения света. Впрыснутый электрон диффундирует через сеть из спеченных частиц, собираясь на электроде из прозрачного проводящего оксида (TCO) на передней стороне, в то время как краситель регенерирует путем восстановления с помощью окислительно-восстановительного челнока, I 3 - / I- , растворенный в растворе. Диффузия окисленной формы челнока к противоэлектроду завершает схему. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . [15]
Следующие шаги преобразуют в DSSC фотоны (свет) в ток:
2 Фотосенсибилизаторы возбуждаются из основного состояния (S) в возбужденное состояние (S ∗ ). Возбужденные электроны вводятся в зону проводимости электрода TiO 2 . Это приводит к окислению фотосенсибилизатора (S + ).
3 Инжектированные электроны в зоне проводимости TiO 2 транспортируются между наночастицами TiO 2 с диффузией к обратному контакту (TCO). И электроны наконец достигают противоэлектрода через цепь.
4 Окисленный фотосенсибилизатор (S + ) принимает электроны от окислительно-восстановительного посредника I - ионов, что приводит к регенерации основного состояния (S), и два I - иона окисляются до элементарного йода, который реагирует с I - до окисленного состояния, I 3 - .
5 Окисленный окислительно-восстановительный медиатор, I 3 - , диффундирует к противоэлектроду и затем восстанавливается до I - ионов.
Эффективность DSSC зависит от четырех уровней энергии компонента: возбужденное состояние (приблизительно LUMO ) и основное состояние (HOMO) фотосенсибилизатора, уровень Ферми электрода TiO 2 и окислительно-восстановительный потенциал медиатора (I - / Я 3 - ) в электролите. [16]
В DSSC электроды состояли из спеченных полупроводниковых наночастиц, в основном TiO 2 или ZnO. Эти DSSC наночастиц полагаются на ограниченную ловушкой диффузию через наночастицы полупроводника для транспорта электронов. Это ограничивает эффективность устройства, так как это медленный транспортный механизм. Рекомбинация чаще происходит при более длинных волнах излучения. Кроме того, для спекания наночастиц требуется высокая температура около 450 ° C, что ограничивает изготовление этих ячеек с помощью прочных, твердых твердых подложек. Было доказано, что эффективность DSSC увеличивается, если электрод из спеченной наночастицы заменяется электродом специальной конструкции, обладающим экзотической «наноплантоподобной» морфологией. [17]
Солнечный свет проникает в элемент через прозрачный верхний контакт SnO 2 : F, ударяя краситель по поверхности TiO 2 . Фотоны, попадающие на краситель с достаточной энергией для поглощения, создают возбужденное состояние красителя, из которого электрон может быть «инжектирован» непосредственно в зону проводимости TiO 2 . Оттуда он движется диффузией (в результате градиента концентрации электронов ) к прозрачному аноду сверху.
Между тем, молекула красителя потеряла электрон, и молекула разложится, если другой электрон не будет предоставлен. Краситель очищает от йодида в электролите ниже TiO 2 , окисляя его до трийодида . Эта реакция происходит довольно быстро по сравнению с тем временем, которое требуется, чтобы инжектированный электрон рекомбинировал с молекулой окисленного красителя, предотвращая эту реакцию рекомбинации, которая эффективно закоротила бы солнечный элемент.
Затем трийодид восстанавливает свой недостающий электрон путем механической диффузии на дно ячейки, где противоэлектрод повторно вводит электроны после прохождения через внешнюю цепь.
Несколько важных мер используются для характеристики солнечных элементов. Наиболее очевидным является общее количество электроэнергии, произведенной для данного количества солнечной энергии, сияющей на элементе. Выражается в процентах, это известно как эффективность солнечного преобразования . Электрическая мощность является произведением тока и напряжения, поэтому также важны максимальные значения для этих измерений, J sc и V oc соответственно. Наконец, чтобы понять основную физику, «квантовая эффективность» используется для сравнения вероятности того, что один фотон (с определенной энергией) создаст один электрон.
С точки зрения квантовой эффективности , DSSC чрезвычайно эффективны. Из-за их "глубины" в наноструктуре существует очень высокая вероятность того, что фотон будет поглощен, и красители очень эффективны при преобразовании их в электроны. Большинство небольших потерь, которые существуют в DSSC, обусловлены потерями проводимости в TiO 2 и прозрачном электроде или оптическими потерями в переднем электроде. Общая квантовая эффективность для зеленого света составляет около 90%, причем «потерянные» 10% в основном объясняются оптическими потерями в верхнем электроде. Квантовая эффективность традиционных конструкций варьируется в зависимости от их толщины, но примерно такая же, как у DSSC.
Теоретически, максимальное напряжение, создаваемое такой ячейкой, представляет собой просто разницу между ( квази -) уровнем Ферми TiO 2 и окислительно-восстановительным потенциалом электролита, около 0,7 В в условиях солнечного освещения (V oc ). То есть, если подсвеченный DSSC подключен к вольтметру в «разомкнутой цепи», он будет показывать около 0,7 В. Что касается напряжения, DSSC предлагают немного более высокое напряжение V oc, чем у кремния, около 0,7 В по сравнению с 0,6 В. Это довольно небольшая разница, поэтому в реальных различиях преобладает текущее производство, J sc .
Хотя краситель очень эффективен при преобразовании поглощенных фотонов в свободные электроны в TiO 2 , только фотоны, поглощенные красителем, в конечном итоге создают ток. Скорость поглощения фотонов зависит от спектра поглощения сенсибилизированного слоя TiO 2 и от спектра солнечного потока. Перекрытие между этими двумя спектрами определяет максимально возможный фототок. Обычно используемые молекулы красителя обычно имеют более низкое поглощение в красной части спектра по сравнению с кремнием, что означает, что меньшее количество фотонов в солнечном свете пригодно для генерации тока. Эти факторы ограничивают ток , генерируемый в DSSC, для сравнения, традиционный основе кремния оферты солнечных батарей около 35 м / см 2тогда как современные DSSC предлагают около 20 мА / см 2 .
Общая пиковая эффективность преобразования мощности для современных DSSC составляет около 11%. [18] [19] Текущий рекорд для прототипов лежит на 15%. [20] [21]
DSSC разрушаются при воздействии ультрафиолетового излучения. В 2014 году воздушная инфильтрация обычно используемого аморфного дырно-транспортного слоя Spiro-MeOTAD была определена как основная причина деградации, а не окисления. Повреждения можно избежать, добавив соответствующий барьер. [22]
Барьерный слой может включать в себя УФ-стабилизаторы и / или УФ-поглощающие люминесцентные хромофоры (которые излучают на более длинных волнах, которые могут быть повторно поглощены красителем) и антиоксиданты для защиты и улучшения эффективности ячейки. [23]
В настоящее время DSSC являются наиболее эффективной солнечной технологией третьего поколения [24] (2005 г.). Другие тонкопленочные технологии обычно составляют от 5% до 13%, а традиционные недорогие коммерческие кремниевые панели работают от 14% до 17%. Это делает DSSC привлекательными в качестве замены для существующих технологий в приложениях «низкой плотности», таких как солнечные коллекторы на крыше, где механическая прочность и легкий вес безстеклянного коллектора является основным преимуществом. Они могут быть не такими привлекательными для крупномасштабных развертываний, где более дорогие и более эффективные соты более жизнеспособны, но даже небольшое повышение эффективности преобразования DSSC может сделать их подходящими и для некоторых из этих ролей.
Есть еще одна область, где DSSC особенно привлекательны. Процесс инжекции электрона непосредственно в TiO 2 качественно отличается от процесса , происходящего в традиционной ячейке, где электрон «продвигается» в исходном кристалле. Теоретически, учитывая низкие скорости производства, электрон высокой энергии в кремнии может повторно объединяться со своей собственной дыркой, испуская фотон (или другую форму энергии), которая не приводит к генерированию тока. Хотя этот частный случай может не быть распространенным, электрону, генерируемому другим атомом, довольно легко соединиться с дырой, оставленной позади при предыдущем фотовозбуждении.
Для сравнения, процесс инжекции, используемый в DSSC, не вводит дырку в TiO 2 , только лишний электрон. Хотя для электрона энергетически возможно рекомбинировать обратно в краситель, скорость, с которой это происходит, довольно медленная по сравнению со скоростью, с которой краситель восстанавливает электрон из окружающего электролита. Рекомбинация непосредственно из TiO 2 в частицы в электролите также возможна, хотя, опять же, для оптимизированных устройств эта реакция довольно медленная. [25] Напротив, перенос электрона от покрытого платиной электрода к частицам в электролите обязательно очень быстрый.
В результате этой благоприятной "дифференциальной кинетики" DSSC работают даже в условиях низкой освещенности. Таким образом, DSSC способны работать под облачным небом и без прямого солнечного света, тогда как традиционные конструкции будут страдать от «выреза» при некотором нижнем пределе освещенности, когда подвижность носителей заряда мала и рекомбинация становится основной проблемой. Отсечка настолько мала, что их даже предлагают использовать внутри помещений, собирая энергию для небольших устройств из источников света в доме. [26]
Практическое преимущество, которое DSSC разделяют с большинством тонкопленочных технологий, заключается в том, что механическая прочность элемента косвенно ведет к повышению эффективности при более высоких температурах. В любом полупроводнике повышение температуры приведет к тому, что некоторые электроны попадут в зону проводимости «механически». Хрупкость традиционных кремниевых элементов требует, чтобы они были защищены от элементов, обычно заключая их в стеклянную коробку, похожую на теплицу , с металлической основой для прочности. Такие системы испытывают заметное снижение эффективности, так как ячейки нагреваются внутри. DSSC обычно изготавливаются только с тонким слоем проводящего пластика на переднем слое, что позволяет им намного легче отводить тепло и, следовательно, работать при более низких внутренних температурах.
Основным недостатком конструкции DSSC является использование жидкого электролита, который имеет проблемы со стабильностью температуры. При низких температурах электролит может замерзнуть, останавливая выработку энергии и потенциально приводя к физическому повреждению. Более высокие температуры вызывают расширение жидкости, что делает уплотнение панелей серьезной проблемой. Другим недостатком является то, что для получения DSSC необходимы дорогостоящий рутений (краситель), платина (катализатор) и проводящее стекло или пластик (контакт). Третий главный недостаток заключается в том, что раствор электролита содержит летучие органические соединения (или ЛОС)растворители, которые необходимо тщательно герметизировать, поскольку они опасны для здоровья человека и окружающей среды. Это, наряду с тем фактом, что растворители проникают в пластмассы, исключает возможность широкомасштабного наружного применения и интеграции в гибкую структуру. [27]
Замена жидкого электролита твердым веществом была основной постоянной областью исследований. Недавние эксперименты с использованием отвержденных расплавленных солей показали некоторую перспективу, но в настоящее время они страдают от более высокой деградации при продолжительной работе и не являются гибкими. [28]
Сенсибилизированные красителем солнечные элементы работают в качестве фотоанода (n-DSC), где фототок возникает в результате инжекции электронов сенсибилизированным красителем. Фотокатоды (p-DSC) работают в обратном режиме по сравнению с обычным n-DSC, где возбуждение красителя сопровождается быстрым переносом электронов от полупроводника p-типа к красителю (инжекция в дырочку, сенсибилизированную красителем, вместо инжекции электрона) , Такие p-DSC и n-DSC могут быть объединены для создания тандемных солнечных элементов (pn-DSC), и теоретическая эффективность тандемных DSC намного выше, чем у однопереходных DSC.
Стандартный тандемный элемент состоит из одного n-DSC и одного p-DSC в простой многослойной конфигурации с промежуточным слоем электролита. n-DSC и p-DSC соединены последовательно, что означает, что результирующий фототок будет контролироваться самым слабым фотоэлектродом, в то время как фотонапряжения являются аддитивными. Таким образом, согласование фототока очень важно для построения высокоэффективных тандемных pn-DSC. Однако, в отличие от n-DSC, быстрая рекомбинация заряда после сенсибилизированной красителем дырки обычно приводила к низким фототокам в p-DSC и, таким образом, препятствовала эффективности всего устройства.
Исследователи обнаружили, что использование красителей, включающих периленмоноимид (PMI) в качестве акцептора и олиготиофен, связанный с трифениламином, в качестве донора, значительно улучшает эффективность p-DSC за счет снижения скорости рекомбинации заряда после введения сенсибилизированной красителем дырки. Исследователи создали тандемное устройство DSC с NiO на стороне p-DSC и TiO 2 на стороне n-DSC. Согласование фототока было достигнуто путем регулировки NiO и TiO 2Толщины пленки контролируют оптическое поглощение и, следовательно, соответствуют фототокам обоих электродов. Эффективность преобразования энергии в устройстве составляет 1,91%, что превышает эффективность отдельных его компонентов, но все еще намного ниже, чем у высокопроизводительных устройств n-DSC (6–11%). Результаты все еще многообещающие, так как тандем DSC сам по себе был зачаточным. Значительное улучшение производительности в p-DSC может в конечном итоге привести к появлению тандемных устройств с гораздо большей эффективностью, чем в одиночных n-DSC. [29]
Используя материалы для переноса электронов, такие как PCBM [30] , TiO 2 [31] [32] и ZnO [33] вместо обычного жидкого электролита окислительно-восстановительной пары, исследователям удалось изготовить твердотельные p-DSC (p-ssDSCs), нацеливание на твердотельные солнечные элементы, сенсибилизированные тандемным красителем. [34]
«Черный Краситель», анионный Ru-терпиридин комплекс
Красители, используемые в ранних экспериментальных ячейках (около 1995 г.), были чувствительны только в высокочастотном конце солнечного спектра, в ультрафиолетовом и синем цветах. Вскоре были введены более новые версии (около 1999 г.), которые имели гораздо более широкую частотную характеристику, а именно «трискарбоксирутений терпиридин» [Ru (4,4 ', 4 "- (COOH) 3- terpy) (NCS) 3 ], что эффективно прямо в низкочастотный диапазон красного и инфракрасного света. Широкий спектральный отклик приводит к тому, что краситель имеет глубокий коричнево-черный цвет, и его называют просто "черный краситель". [35]Красители имеют прекрасную возможность превращения фотона в электрон, первоначально около 80%, но улучшая почти до идеального превращения в более поздних красителях, общая эффективность составляет около 90%, причем «потерянные» 10% в основном объясняются оптические потери в верхнем электроде.
Солнечный элемент должен быть способен производить электричество в течение не менее двадцати лет, без значительного снижения эффективности ( продолжительности жизни ). Система "черного красителя" подверглась 50 миллионам циклов, что эквивалентно десяти годам пребывания на солнце в Швейцарии. Заметного снижения производительности не наблюдалось. Однако краситель подвержен разрушению в условиях повышенной освещенности. За последнее десятилетие была проведена обширная исследовательская программа для решения этих проблем. Более новые красители включали тетроцианоборат 1-этил-3-метилимидазолия [EMIB (CN) 4 ], который чрезвычайно устойчив к свету и температуре, медь-диселен [Cu (In, GA) Se 2 ], который обеспечивает более высокую эффективность преобразования, и другие с различные целевые свойства.
DSSC все еще находятся в начале своего цикла разработки. Повышение эффективности возможно, и недавно началось более широкое исследование. К ним относятся использование квантовых точек для преобразования света с более высокой энергией (более высокой частоты) в несколько электронов, использование твердотельных электролитов для лучшего температурного отклика и изменение легирования TiO 2 для лучшего соответствия его используемому электролиту.
2003
Сообщается, что группа исследователей из Швейцарского федерального технологического института повысила термостабильность ДСК, используя амфифильный рутениевый сенсибилизатор в сочетании с квазитвердым гелевым электролитом. Стабильность устройства соответствует стабильности обычного неорганического солнечного элемента на основе кремния. Ячейка выдерживала нагрев в течение 1000 ч при 80 ° С.
Ранее группа подготовила рутениевый амфифильный краситель Z-907 (цис-Ru (H 2 dcbpy) (dnbpy) (NCS) 2 , где лиганд H 2 dcbpy представляет собой 4,4'-дикарбоновую кислоту-2,2'-бипиридин и dnbpy представляет собой 4,4'-динонил-2,2'-бипиридин) для повышения устойчивости красителей к воде в электролитах. Кроме того, группа также подготовила квазитвердый гель-электролит с жидким электролитом на основе 3-метоксипропионитрила (MPN), который был отвержден фотохимически стабильным фторполимером поливинилиденфторид- гексафторпропиленом (PVDF-HFP).
Использование амфифильного красителя Z-907 в сочетании с полимерным гелевым электролитом в ДСК позволило достичь эффективности преобразования энергии 6,1%. Что еще более важно, устройство было устойчиво при тепловых нагрузках и выдерживало свет. Высокая эффективность преобразования ячейки поддерживалась после нагревания в течение 1000 ч при 80 ° С, сохраняя 94% от ее первоначального значения. После ускоренного тестирования в имитаторе солнечного в течение 1000 ч свет выдержки при 55 ° C (100 мВт см -2 ) эффективность снизилась менее чем на 5% для клеток , покрытых ультрафиолетовой абсорбирующей полимерной пленкой. Эти результаты находятся в пределах, характерных для традиционных неорганических кремниевых солнечных элементов.
Улучшенные характеристики могут возникать из-за уменьшения проникновения растворителя через герметик из-за применения полимерного гелевого электролита. Полимерный гель-электролит является квазитвердым при комнатной температуре и становится вязкой жидкостью (вязкость: 4,34 мПа · с) при 80 ° C по сравнению с традиционным жидким электролитом (вязкость: 0,91 мПа · с). Значительно улучшенная стабильность устройства как при тепловом напряжении, так и при пропитке светом никогда ранее не наблюдалась в ДСК, и они соответствуют критериям долговечности, применяемым к солнечным элементам для наружного использования, что делает эти устройства жизнеспособными для практического применения. [36] [37]
2006
Сообщалось о первых успешных твердо-гибридных сенсибилизированных красителем солнечных элементах. [28]
Чтобы улучшить транспорт электронов в этих солнечных элементах, сохраняя при этом большую площадь поверхности, необходимую для адсорбции красителя, два исследователя разработали альтернативные морфологии полупроводников, такие как массивы нанопроводов и комбинацию нанопроводов и наночастиц , чтобы обеспечить прямой путь к электроду через полупроводниковая зона проводимости. Такие структуры могут предоставлять средства для повышения квантовой эффективности DSSC в красной области спектра, где их характеристики в настоящее время ограничены. [38]
В августе 2006 года, чтобы доказать химическую и термическую стойкость 1-этил-3-метилимидазолийтетрацианоборатного солнечного элемента, исследователи подвергли устройства нагреванию при 80 ° C в темноте в течение 1000 часов с последующим выдерживанием света при 60 ° C для 1000 часов После темнового нагревания и легкого замачивания сохранялась 90% начальной фотоэлектрической эффективности - впервые такая превосходная термостойкость наблюдалась для жидкого электролита, который демонстрирует такую высокую эффективность преобразования. В отличие от кремниевых солнечных элементов , характеристики которых снижаются с ростом температуры, чувствительные к красителю устройства на солнечных элементах оказывали лишь незначительное влияние при повышении рабочей температуры от температуры окружающей среды до 60 ° C.
Апрель 2007 г.
Уэйн Кэмпбелл из Университета Масси , Новая Зеландия, экспериментировал с широким спектром органических красителей на основе порфирина . [39] В природе порфирин является основным строительным блоком гемопротеинов , которые включают хлорофилл в растениях и гемоглобин у животных. Он сообщает об эффективности порядка 5,6% при использовании этих недорогих красителей. [40]
Июнь 2008 г.
Статья, опубликованная в Nature Materials, продемонстрировала эффективность ячейки 8,2% с использованием нового жидкого окислительно-восстановительного электролита, не содержащего растворителя, состоящего из расплава трех солей, в качестве альтернативы использованию органических растворителей в качестве раствора электролита. Хотя эффективность с этим электролитом составляет менее 11% при использовании существующих растворов на основе йода, команда уверена, что эффективность можно улучшить. [41]
2009
Группа исследователей из Georgia Tech создала сенсибилизированные красителем солнечные элементы с более высокой эффективной площадью поверхности , обмотав их вокруг кварцевого оптического волокна . [42] [43] Исследователи сняли оболочку с оптических волокон, вырастили нанопроволочки из оксида цинка вдоль поверхности, обработали их молекулами красителя, окружили волокна электролитом и металлической пленкой, которая уносит электроны с волокна. Ячейки в шесть раз более эффективны, чем ячейки из оксида цинка с такой же площадью поверхности. [42]Фотоны отскакивают внутри волокна по мере их движения, так что есть больше шансов взаимодействовать с солнечным элементом и производить больше тока. Эти устройства собирают свет только на кончиках, но будущие волоконные ячейки можно было бы сделать так, чтобы они поглощали свет по всей длине волокна, что потребовало бы как проводящего, так и прозрачного покрытия . [42] Макс Штейн из Мичиганского университета сказал, что для таких ячеек не нужна система отслеживания солнца , и она будет работать в пасмурные дни, когда свет рассеян. [42]
2010
Исследователи из Политехнической школы Лозанны и Университета дю Квебек в Монреале утверждают, что преодолели две основные проблемы DSC: [44]
2011
В июне Dyesol и Tata Steel Europe объявили о разработке крупнейшего в мире фотоэлектрического модуля, сенсибилизированного красителем, напечатанным на стали непрерывной линией.
Dyesol и CSIRO объявили в октябре об успешном завершении второго этапа совместного проекта Dyesol / CSIRO. Директор Dyesol Гордон Томпсон (Gordon Thompson) сказал: «Материалы, разработанные в ходе этого совместного сотрудничества, способны значительно продвинуть коммерциализацию DSC в ряде областей применения, где производительность и стабильность являются существенными требованиями. Dyesol чрезвычайно поощряется прорывами в химии, позволяющими производство молекул-мишеней. Это создает путь к немедленному коммерческому использованию этих новых материалов ". [47]
В ноябре Dyesol и Tata Steel Europe объявили о целевом развитии солнечной стали BIPV, конкурентоспособной по Grid Parity, которая не требует субсидируемых правительством тарифов. В настоящее время кровля TATA-Dyesol "Solar Steel" устанавливается в Центре ограждающих конструкций (SBEC) в Шоттоне, Уэльс. [
2012
Исследователи из Северо-Западного университета [50] объявили о решении основной проблемы DSSC, которая связана с трудностями использования и содержания жидкого электролита и, как следствие, относительно коротким сроком службы устройства. Это достигается за счет использования нанотехнологий и превращения жидкого электролита в твердое вещество. Эффективность тока составляет примерно половину эффективности кремниевых элементов, но они имеют малый вес и потенциально намного дешевле в производстве.
2013
За последние 5–10 лет был разработан новый тип DSSC - твердотельный сенсибилизированный красителем солнечный элемент. В этом случае жидкий электролит заменяется одним из нескольких твердых проводящих дырочку материалов. С 2009 по 2013 годы эффективность твердотельных DSSC резко возросла с 4% до 15%. Михаэль Гретцель объявил о создании твердотельных DSSC с эффективностью 15,0%, достигнутых с помощью гибридного перовскита CH 3 NH 3 PbI 3 , впоследствии осажденного из отделенных растворов CH 3 NH 3 I и PbI 2 . [21]
Первая архитектурная интеграция была продемонстрирована в новом конференц-центре EPFL в партнерстве с Romande Energie. Общая площадь 300 м 2 , в 1400 модулях по 50 см х 35 см. Разработано художниками Даниэлем Шлапфером и Кэтрин Болл. [51]
2018
Исследователи исследовали роль поверхностных плазмонных резонансов, присутствующих на золотых наностержнях, в работе сенсибилизированных красителем солнечных элементов. Они обнаружили, что с увеличением концентрации наностержней поглощение света росло линейно; однако извлечение заряда также зависело от концентрации. Оптимизировав концентрацию, они обнаружили, что общая эффективность преобразования энергии улучшилась с 5,31 до 8,86% для сенсибилизированных красителем солнечных батарей Y123. [52]
Синтез одномерных наноструктур TiO 2 непосредственно на стеклянных подложках из оксида олова, легированных фтором, был успешно продемонстрирован с помощью двухсторонней сольватермической реакции. [53] Кроме того, благодаря обработке золем TiO 2 производительность двойных нанопроволочных ячеек TiO 2 была улучшена, достигнув эффективности преобразования мощности 7,65%. [54]
Сообщалось о противоэлектродах на основе нержавеющей стали для DSSC, которые еще больше снижают стоимость по сравнению с обычным противоэлектродом на основе платины и подходят для наружного применения. [55] [56]
Исследователи из EPFL разработали DSSC на основе окислительно-восстановительных электролитов комплексов меди , которые достигли 13,1% эффективности при стандартных условиях AM1,5G, 100 мВт / см 2 и зафиксировали 32% эффективность при освещенности в помещении 1000 люкс. [57] [58]
Исследователи из Уппсальского университета использовали полупроводники n-типа вместо окислительно-восстановительного электролита для изготовления твердотельных солнечных батарей, чувствительных к красителю, p-типа. [59] [60]
Исследование, описанное в статье про Ячейка Гретцеля, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое Ячейка Гретцеля, DSSC, солнечные батареи и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Источники питания радиоэлектронной аппаратуры
Комментарии
Оставить комментарий
Источники питания радиоэлектронной аппаратуры
Термины: Источники питания радиоэлектронной аппаратуры