Органические солнечные элементы, чувствительные к красителю

- Jan 15, 2018-

В конце 1960-х годов было обнаружено, что освещаемые органические красители могут генерировать электричество на оксидных электродах в электрохимических ячейках. В попытке понять и имитировать первичные процессы фотосинтеза явление изучалось в Калифорнийском университете в Беркли с хлорофиллом, извлеченным из шпината (биомиметический или бионический подход). На основе таких экспериментов выработка электроэнергии по принципу солнечной ячейки сенсибилизации красителя (DSSC) была продемонстрирована и обсуждена в 1972 году. Нестабильность солнечного элемента красителя была определена как основная задача. Его эффективность в течение следующих двух десятилетий может быть улучшена за счет оптимизации пористости электрода, полученного из порошка мелкого оксида, но проблема нестабильности оставалась проблемой. 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) помещаются по обеим сторонам жидкого проводника (электролита).

Солнечный свет проходит через прозрачный электрод в слой красителя, где он может возбуждать электроны, которые затем поступают 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 сзади, втекающем в электролит. Затем электролит транспортирует электроны обратно к молекулам красителя.

Сенсибилизированные красителем солнечные элементы разделяют две функции, обеспечиваемые кремнием в традиционной конструкции ячейки. 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 предусмотрены из отдельного светочувствительного красителя. Разделение заряда происходит на поверхностях между красителем, полупроводником и электролитом.

Молекулы красителя довольно малы (нанометровые размеры), поэтому для захвата разумного количества входящего света слой молекул красителя должен быть достаточно толстым, намного толще, чем сами молекулы. Для решения этой проблемы наноматериал используется в качестве эшафота для хранения большого количества молекул красителя в трехмерной матрице, увеличивая количество молекул для любой заданной площади поверхности ячейки. В существующих конструкциях эти строительные леса обеспечивают полупроводниковый материал, который служит для двойной работы.

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 , Фотоанон состоит из пленки толщиной 12 мкм из прозрачных наночастиц TiO 2 толщиной 10-20 нм, покрытых пленкой толщиной 4 мкм с гораздо большими (диаметром 400 нм), которые рассеивают фотоны обратно в прозрачную пленку. Возбужденный краситель быстро вводит электрон в TiO 2 после поглощения света. Инъецируемый электрон диффундирует через сеть спеченных частиц, собираемую на электроде прозрачного проводящего оксида (ТСО) на передней стороне, в то время как краситель регенерируется посредством восстановления редокс-челноком, I 3 / I, растворенным в растворе. Диффузия окисленной формы челнока на противоэлектрод завершает схему.

   

Механизм DSSC

Основные процессы, происходящие в DSSC

Шаг 1: Следующие основные шаги преобразуют фотоны (свет) в ток:

1. Падающий фотон поглощается комплексными фотосенсибилизаторами Ru, адсорбированными на поверхности TiO 2 .

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 + ).

S + hν → S * (1)

S * → S + + e - (TiO 2 ) (2)

3. Введенные электроны в зоне проводимости TiO 2 переносятся между наночастицами TiO 2 с диффузией к обратному контакту (TCO). И электроны, наконец, достигают противоэлектрода через контур.

4. Окисленный фотосенсибилизатор (S + ) принимает электроны от I-ионного редокс-медиатора, приводящего к регенерации основного состояния (S), а два I -она окисляются до элементарного йода, который реагирует с I - в окисленное состояние, I 3 - .

S + + e - → S (3)

5. Окисленный окислительно-восстановительный медиатор, I 3 - , диффундирует к противоэлектроду, а затем восстанавливается до ионов I - .

I 3 - + 2 e - → 3 I - (4)

Эффективность DSSC зависит от четырех энергетических уровней компонента: возбужденного состояния (приблизительно LUMO) и основного состояния (HOMO) фотосенсибилизатора, уровня Ферми электрода TiO 2 и окислительно-восстановительного потенциала медиатора (I - / I 3 - ) в электролите.

развитие

Красители, используемые в ранних экспериментальных клетках (около 1995 г.), чувствительны только в высокочастотном конце солнечного спектра, в УФ и синем. Более поздние версии были введены (около 1999 г.), которые имели гораздо более широкий частотный отклик, особенно « трискарбокси-рутений терпиридин » [Ru ( 4,4 ', 4 "- (COOH) 3- терпи ) (NCS) 3 ], что является эффективным прямо в низкочастотный диапазон красного и инфракрасного света. Широкий спектральный отклик приводит к тому, что краситель имеет глубокий коричнево-черный цвет и упоминается просто как «черный краситель». Красители имеют отличную возможность преобразования фотона в электрон, первоначально около 80%, но улучшая почти идеальное преобразование в более поздних красках, общий КПД составляет около 90%, а «потерянные» 10% в значительной степени объясняются оптическими потерями в верхнем электроде.

Black Dye.jpg

    Солнечная батарея должна быть способна производить электроэнергию не менее 20 лет без значительного снижения эффективности (срока службы). Система « черного красителя » была подвергнута 50 миллионам циклов, что эквивалентно десятилетнему воздействию солнца в Швейцарии. Не наблюдалось заметного снижения производительности. Однако краситель подвержен разрушению в условиях высокой освещенности. За последнее десятилетие была проведена обширная исследовательская программа для решения этих проблем. Новые красители включали тетрацианоборат 1-этил-3-метилимидазолия [EMIB (CN) 4 ], который является чрезвычайно легким и устойчивым к температуре, медь-диселений [Cu (In, GA) Se 2 ], который обеспечивает более высокую эффективность конверсии, и другие с изменяя свойства специального назначения.

DSSC все еще находятся в начале цикла разработки. Эффективность может быть достигнута и в последнее время начала более широкое исследование. К ним относятся использование квантовых точек для преобразования высокоэнергетического (высокочастотного) света в несколько электронов с использованием твердотельных электролитов для лучшего температурного отклика и изменение легирования TiO 2 для лучшего соответствия его используемому электролиту.

Новая разработка

Сообщается, что группа исследователей из Швейцарского федерального технологического института увеличила термостабильность DSC с использованием амфифильного рутениевого сенсибилизатора в сочетании с квазитвердого гелеобразного электролита. Стабильность устройства соответствует стабильности обычного солнечного элемента на основе неорганического кремния. Ячейка выдерживала нагрев в течение 1000 ч при 80 ° С.

Группа предварительно приготовила амфифильный краситель рутения 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 толерантности окраски к воде в электролитах. Кроме того, группа также подготовила гелиевый электролит квазитвердого состояния с жидким электролитом на основе 3-метоксипропионитрила (МНН), который был отвержден фотохимически стабильным фтористым полимером, поливинилиденфторидом-со-гексафторпропиленом (PVDF-HFP).

Использование амфифильного Z-907 красителя в сочетании с электролитом полимерного геля в DSC обеспечило эффективность преобразования энергии 6,1%. Что еще более важно, устройство было устойчиво при термическом напряжении и пропитывании светом. Высокая эффективность преобразования в ячейку поддерживалась после нагревания в течение 1 000 ч при 80 ° С, поддерживая 94% ее первоначального значения. После ускоренного тестирования в солнечном симуляторе в течение 1000 ч световой затирки при 55 ° С (100 мВт см -2 ) эффективность уменьшилась менее чем на 5% для клеток, покрытых поглощающей ультрафиолетовое излучение полимерной пленкой. Эти результаты находятся в пределах предела, чем у традиционных неорганических кремниевых солнечных элементов.

Повышенная производительность может возникать из-за уменьшения проницаемости растворителя через герметик из-за применения электролитного полимерного геля. Полимерный гелевый 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 при термическом напряжении и впитывании светом никогда не наблюдалась в DSC, и они соответствуют критериям долговечности, применяемым к солнечным элементам для наружного использования, что делает эти устройства жизнеспособными для практического применения.