stringtranslate.com

Сенсибилизированный красителем солнечный элемент

Выбор сенсибилизированных красителем солнечных элементов.

Сенсибилизированный красителем солнечный элемент ( DSSC , DSC , DYSC [ 1] или элемент Гретцеля ) — это недорогой солнечный элемент, принадлежащий к группе тонкопленочных солнечных элементов . [2] Он основан на полупроводнике , образованном между фотосенсибилизированным анодом и электролитом , фотоэлектрохимической системой. Современная версия солнечного элемента на красителе, также известная как элемент Гретцеля, была первоначально изобретена в 1988 году совместно Брайаном О'Реганом и Майклом Гретцелем в Калифорнийском университете в Беркли [3], а позже эта работа была развита вышеупомянутыми учеными из École. Федеральный политехнический институт Лозанны (EPFL) до публикации первого высокоэффективного DSSC в 1991 году. [4] Михаэль Гретцель был удостоен Премии тысячелетия в области технологий 2010 года за это изобретение. [5]

DSSC имеет ряд привлекательных особенностей; его легко изготовить с использованием традиционных методов рулонной печати, он полугибкий и полупрозрачный, что позволяет использовать его в различных целях, недоступных для систем на основе стекла, а большинство используемых материалов недороги. На практике оказалось трудно отказаться от ряда дорогостоящих материалов, особенно платины и рутения , а жидкий электролит представляет собой серьезную проблему для создания элемента, пригодного для использования в любую погоду. Хотя его эффективность преобразования ниже, чем у лучших тонкопленочных элементов , теоретически его соотношение цена/производительность должно быть достаточно хорошим, чтобы позволить им конкурировать с выработкой электроэнергии на ископаемом топливе за счет достижения паритета сети . Коммерческое применение, которое было приостановлено из-за проблем с химической стабильностью, [6] согласно прогнозам Дорожной карты Европейского Союза по фотоэлектрической энергии , внесет значительный вклад в производство возобновляемой электроэнергии к 2020 году.

Текущая технология: полупроводниковые солнечные элементы.

В традиционном твердотельном полупроводнике солнечный элемент состоит из двух легированных кристаллов, один из которых легирован примесями n-типа ( полупроводник n-типа ), которые добавляют дополнительные свободные электроны в зоне проводимости , а другой легирован примесями p-типа (полупроводник n-типа). полупроводник p-типа ), которые добавляют дополнительные электронные дырки . При контакте некоторые электроны из части n-типа перетекают в часть p-типа, чтобы «заполнить» недостающие электроны, также известные как электронные дырки. В конце концов через границу перетечет достаточно электронов, чтобы выровнять уровни Ферми двух материалов. В результате образуется область на границе раздела, p – n-переход , где носители заряда обеднены и/или накоплены на каждой стороне интерфейса. В кремнии этот перенос электронов создает потенциальный барьер примерно от 0,6 до 0,7 эВ. [7]

Помещенные на солнце фотоны солнечного света могут возбуждать электроны на стороне полупроводника p-типа — 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 по всей ячейке в целом, эти электроны будут перетекать со стороны p-типа на сторону n-типа, терять энергию при движении по внешней цепи, а затем перетекать обратно в материал p-типа, где они могут снова воссоединиться с дырой в валентной зоне, которую они оставили после себя. Таким образом, солнечный свет создает электрический ток. [7]

В любом полупроводнике ширина запрещенной зоны означает, что только фотоны с такой или большей энергией будут способствовать созданию тока. В случае кремния большая часть видимого света от красного до фиолетового имеет достаточную энергию, чтобы это произошло. К сожалению, фотоны с более высокой энергией, находящиеся на синем и фиолетовом конце спектра, имеют более чем достаточно энергии, чтобы пересечь запрещенную зону; хотя часть этой дополнительной энергии передается электронам, большая часть ее тратится 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 только что выброшенный электрон встретится с ранее созданной дыркой в ​​материале, прежде чем достигнет p-n-перехода. Эти эффекты определяют верхний предел эффективности кремниевых солнечных элементов, который в настоящее время составляет около 20% для обычных модулей и до 27,1% [8] для лучших лабораторных элементов (33,16% — теоретический максимум эффективности для однозонных солнечных элементов, [ 8]). 9] см. предел Шокли–Кейссера .).

Безусловно, самая большая проблема традиционного подхода — это стоимость; Солнечным элементам требуется относительно толстый слой легированного кремния, чтобы иметь разумную скорость захвата фотонов, а обработка кремния обходится дорого. За последнее десятилетие было предложено множество различных подходов к снижению этих затрат, в частности, тонкопленочные подходы, но на сегодняшний день они нашли ограниченное применение из-за множества практических проблем. Другое направление исследований заключалось в значительном повышении эффективности за счет многопереходного подхода, хотя эти ячейки очень дороги и подходят только для крупных коммерческих развертываний. В целом типы ячеек, подходящих для установки на крыше, существенно не изменились по эффективности, хотя затраты несколько снизились из-за увеличения предложения.

Сенсибилизированные красителем солнечные элементы

Тип ячейки, изготовленной в EPFL Гретцелем и О'Реганом.
Работа ячейки Гретцеля.

В конце 1960-х годов было обнаружено, что освещенные органические красители могут генерировать электричество на оксидных электродах электрохимических ячеек. [10] В попытке понять и смоделировать первичные процессы фотосинтеза это явление изучалось в Калифорнийском университете в Беркли с использованием хлорофилла, извлеченного из шпината (биомиметический или бионический подход). [11] На основе таких экспериментов в 1972 году была продемонстрирована и обсуждена генерация электроэнергии с помощью принципа сенсибилизации красителя (DSSC). [12] Нестабильность солнечного элемента с красителем была определена как основная проблема. Его эффективность можно было в течение следующих двух десятилетий повысить за счет оптимизации пористости электрода, приготовленного из мелкодисперсного оксидного порошка, но нестабильность оставалась проблемой. [13]

Современный DSSC n-типа, наиболее распространенный тип 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 (электролита).

Принцип работы DSSC n-типа можно свести к нескольким основным этапам. Солнечный свет проходит через прозрачный электрод в слой красителя, где он может возбуждать электроны, которые затем попадают в зону проводимости полупроводника n-типа , обычно диоксида титана. Электроны диоксида титана затем перетекают к прозрачному электроду, где собираются для питания нагрузки. Пройдя через внешнюю цепь, они снова вводятся в ячейку на металлическом электроде на задней стороне, также известном как противоэлектрод, и попадают в электролит. Затем электролит переносит электроны обратно к молекулам красителя и регенерирует окисленный краситель.

Основной принцип работы, описанный выше, аналогичен DSSC p-типа, где сенсибилизированный красителем полупроводник имеет природу p-типа (обычно оксид никеля). Однако вместо того, чтобы инжектировать электрон в полупроводник, в ДССК p-типа дырка перетекает из красителя в валентную зону полупроводника p-типа . [14]

Сенсибилизированные красителем солнечные элементы разделяют две функции, выполняемые кремнием в традиционной конструкции элемента. Обычно кремний действует как источник фотоэлектронов, а также создает электрическое поле для разделения зарядов и создания тока. В сенсибилизированном красителем солнечном элементе основная часть полупроводника используется исключительно для переноса заряда, фотоэлектроны поступают из отдельного светочувствительного красителя . Разделение зарядов происходит на поверхностях между красителем, полупроводником и электролитом.

Молекулы красителя довольно малы (размером в нанометр), поэтому для улавливания разумного количества входящего света слой молекул красителя необходимо сделать достаточно толстым, намного толще, чем сами молекулы. Чтобы решить эту проблему, наноматериал используется в качестве каркаса для удержания большого количества молекул красителя в трехмерной матрице, увеличивая количество молекул на любой заданной площади поверхности клетки. В существующих конструкциях такой основой является полупроводниковый материал, выполняющий двойную функцию.

Материалы противоэлектрода

Одним из наиболее важных компонентов DSSC является противоэлектрод. Как указывалось ранее, противоэлектрод отвечает за сбор электронов из внешней цепи и введение их обратно в электролит , чтобы катализировать реакцию восстановления окислительно-восстановительного челнока, обычно от I 3 - до I - . Таким образом, важно, чтобы противоэлектрод имел не только высокую электронную проводимость и диффузионную способность, но также электрохимическую стабильность, высокую каталитическую активность и соответствующую зонную структуру . Наиболее распространенным материалом противоэлектрода, используемым в настоящее время в DSSC, является платина, но она не является устойчивой из-за ее высокой стоимости и ограниченности ресурсов. Таким образом, многие исследования были сосредоточены на поиске новых гибридных и легированных материалов, которые могут заменить платину с сопоставимыми или превосходящими электрокаталитическими характеристиками. Одна из таких категорий, широко изучаемая, включает халькогенные соединения кобальта , никеля и железа (CCNI), особенно влияние морфологии, стехиометрии и синергии на конечные характеристики. Было обнаружено, что помимо элементного состава материала эти три параметра существенно влияют на получаемую эффективность противоэлектрода. Конечно, в настоящее время исследуются множество других материалов, таких как высокомезопористый углерод, [15] материалы на основе олова , [16] наноструктуры золота , [17] , а также нанокристаллы на основе свинца. [18] Тем не менее, в следующем разделе собраны различные текущие исследования, конкретно относящиеся к CCNI, направленные на оптимизацию характеристик противоэлектрода DSSC.

Морфология

Даже при одинаковом составе морфология наночастиц, составляющих противоэлектрод, играет важную роль в определении эффективности всей фотоэлектрической батареи. Поскольку электрокаталитический потенциал материала сильно зависит от площади поверхности , доступной для облегчения диффузии и восстановления окислительно-восстановительных частиц, многочисленные исследовательские усилия были сосредоточены на понимании и оптимизации морфологии наноструктур для противоэлектродов DSSC.

В 2017 году Хуанг и др. использовали различные поверхностно-активные вещества в микроэмульсионном гидротермальном синтезе композитных кристаллов CoSe 2 /CoSeO 3 для получения нанокубов, наностержней и наночастиц . [19] Сравнение этих трёх морфологий показало, что гибридные композитные наночастицы, благодаря наибольшей площади электроактивной поверхности, имели самую высокую эффективность преобразования энергии — 9,27%, что даже выше, чем у их платинового аналога. Мало того, морфология наночастиц демонстрировала самую высокую пиковую плотность тока и наименьший потенциальный зазор между анодным и катодным пиковыми потенциалами, что подразумевает лучшую электрокаталитические способности.

В аналогичном исследовании, но с другой системой, Du et al. в 2017 году определили, что тройной оксид NiCo 2 O 4 обладает наибольшей эффективностью преобразования энергии и электрокаталитической способностью в качестве наноцветков по сравнению с наностержнями или нанолистами. [20] Ду и др. поняли, что изучение различных механизмов роста, которые помогают использовать большие площади активной поверхности наноцветов, может открыть возможность для расширения применения DSSC в других областях.

Стехиометрия

Конечно, состав материала, который используется в качестве противоэлектрода, чрезвычайно важен для создания работающего фотоэлектрического элемента , поскольку валентные зоны и зоны проводимости должны перекрываться с зонами окислительно-восстановительных электролитов, чтобы обеспечить эффективный обмен электронами.

В 2018 году Джин и др. подготовили пленки тройного селенида никеля-кобальта (Ni x Co y Se) с различными стехиометрическими соотношениями никеля и кобальта, чтобы понять их влияние на конечные характеристики ячейки. [21] Биметаллические сплавы никеля и кобальта, как известно, обладают превосходной электронной проводимостью и стабильностью, поэтому оптимизация их стехиометрии в идеале должна обеспечить более эффективную и стабильную работу элемента, чем его однометаллические аналоги. Таков результат, который Jin et al. Было обнаружено, что Ni 0,12 Co 0,80 Se достиг более высокой эффективности преобразования энергии (8,61%), более низкого импеданса переноса заряда и более высокой электрокаталитической способности, чем его платиновые и бинарные селенидные аналоги.

Синергия

Последняя область, которая активно изучается, — это синергия различных материалов в обеспечении превосходных электроактивных характеристик. Будь то различные материалы для переноса заряда, электрохимические соединения или морфологии, использование синергетических отношений между различными материалами проложило путь к еще более новым материалам противоэлектродов.

В 2016 году Лу и др. смешанные микрочастицы сульфида никеля-кобальта с нанохлопьями восстановленного оксида графена (rGO) для создания противоэлектрода. [22] Лу и др. обнаружили не только то, что rGO действует как сокатализатор в ускорении восстановления трийодида, но также и то, что микрочастицы и rGO имеют синергетическое взаимодействие, которое снижает сопротивление переносу заряда всей системы. Хотя эффективность этой системы была немного ниже, чем ее платиновый аналог (эффективность системы NCS/rGO: 8,96%; эффективность системы Pt: 9,11%), она предоставила платформу, на которой можно проводить дальнейшие исследования.

Строительство

В случае оригинальной конструкции Гретцеля и О'Ригана ячейка состоит из трех основных частей. Сверху находится прозрачный анод из легированного фторидом диоксида олова (SnO 2 :F), нанесенный на обратную сторону (обычно стеклянной) пластины. На обратной стороне этой проводящей пластины находится тонкий слой диоксида титана (TiO 2 ), который образует высокопористую структуру с чрезвычайно большой площадью поверхности. (TiO 2 ) химически связывается в процессе, называемом спеканием . TiO 2 поглощает лишь небольшую часть солнечных фотонов (в УФ-диапазоне). [23] Затем пластину погружают в смесь светочувствительного рутениево - полипиридилового красителя (также называемого молекулярным сенсибилизатором [23] ) и растворителя . После вымачивания пленки в растворе красителя тонкий слой красителя остается ковалентно связанным с поверхностью TiO 2 . Связь представляет собой сложноэфирную, хелатную или бидентатную мостиковую связь.

Затем изготавливается отдельная пластина с тонким слоем йодистого электролита , нанесенным на проводящий лист, обычно из металлической платины . Затем две пластины соединяются и герметизируются, чтобы предотвратить утечку электролита. Конструкция настолько проста, что есть наборы для хобби, позволяющие собрать их вручную. [24] Хотя они используют ряд «продвинутых» материалов, они недороги по сравнению с кремнием, необходимым для обычных элементов, поскольку не требуют дорогостоящих производственных этапов. 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 прозрачных наночастиц TiO 2 диаметром 10–20 нм , покрытых пленкой толщиной 4 мкм из гораздо более крупных (диаметром 400 нм) частиц, которые рассеивают фотоны обратно в прозрачную пленку. Возбужденный краситель быстро вводит электрон в TiO 2 после поглощения света. Инжектированный электрон диффундирует через сетку спеченных частиц и собирается на переднем боковом прозрачном проводящем оксидном электроде (TCO), в то время как краситель регенерируется посредством восстановления окислительно-восстановительным челноком I 3 - /I - , растворенным в растворе. Диффузия окисленной формы челнока к противоэлектроду замыкает цепь. [25]

Механизм DSSC

Следующие шаги преобразуют фотоны (свет) обычного DSSC n-типа в ток:

  1. Падающий фотон поглощается фотосенсибилизатором (например, Ru-комплексом), адсорбированным на поверхности TiO 2 .
  2. Фотосенсибилизаторы возбуждаются из основного состояния (S) в возбужденное состояние (S * ). Возбужденные электроны инжектируются в зону проводимости электрода TiO 2 . Это приводит к окислению фотосенсибилизатора (S + ).
  3. Инжектированные электроны в зоне проводимости TiO 2 переносятся между наночастицами TiO 2 с диффузией в сторону заднего контакта (ТСО). И электроны наконец достигают противоэлектрода через цепь.
  4. Окисленный фотосенсибилизатор (S + ) принимает электроны от окислительно-восстановительного медиатора, обычно I - иона окислительно-восстановительного медиатора, что приводит к регенерации основного состояния (S), а два I - -иона окисляются до элементарного йода, который реагирует с I - до окисленное состояние, I 3 − .
  5. Окисленный редокс-медиатор I 3 - диффундирует к противоэлектроду, а затем восстанавливается до ионов I - .

Эффективность ДССК зависит от четырех энергетических уровней компонента: возбужденного состояния (приблизительно НСМО ) и основного состояния (ВЗМО) фотосенсибилизатора, уровня Ферми TiO 2 электрода и окислительно-восстановительного потенциала медиатора (I - /I 3 − ) в электролите. [26]

Нанорастительная морфология

В ДССК электроды состояли из спеченных полупроводниковых наночастиц, в основном TiO 2 или ZnO. Эти DSSC наночастиц основаны на диффузии, ограниченной ловушками, через полупроводниковые наночастицы для транспорта электронов. Это ограничивает эффективность устройства, поскольку это медленный транспортный механизм. Рекомбинация более вероятна при более длинных волнах излучения. Более того, спекание наночастиц требует высокой температуры около 450 °C, что ограничивает изготовление этих ячеек прочными, жесткими твердыми подложками. Доказано, что эффективность ДССК увеличивается, если заменить спеченный электрод из наночастиц специально разработанным электродом, обладающим экзотической морфологией, напоминающей нанорастение. [27]

Операция

В обычном DSSC n-типа солнечный свет попадает в ячейку через прозрачный верхний контакт SnO 2 :F, попадая на краситель на поверхности TiO 2 . Фотоны, падающие 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 перемещается путем диффузии (в результате градиента концентрации электронов ) к прозрачному аноду сверху.

Между тем, молекула красителя потеряла электрон, и молекула разложится, если не появится еще один электрон. Краситель отделяет один от йодида в электролите ниже TiO 2 , окисляя его до трийодида . Эта реакция происходит довольно быстро по сравнению со временем, которое требуется инжектированному электрону для рекомбинации с молекулой окисленного красителя, предотвращая эту реакцию рекомбинации, которая могла бы эффективно замкнуть солнечный элемент.

Затем трииодид восстанавливает недостающий электрон путем механической диффузии на дно ячейки, где противоэлектрод повторно вводит электроны после прохождения через внешнюю цепь.

Эффективность

Для характеристики солнечных элементов используется несколько важных показателей. Наиболее очевидным является общее количество электроэнергии, производимой на определенное количество солнечной энергии, попадающей на элемент. Выраженный в процентах, он известен как эффективность преобразования солнечной энергии . Электрическая мощность представляет собой произведение тока и напряжения, поэтому важны также 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 (определенной энергии) создаст один электрон.

С точки зрения квантовой эффективности DSSC чрезвычайно эффективны. Из-за их «глубины» в наноструктуре очень высока вероятность того, что фотон будет поглощен, а красители очень эффективно преобразуют их в электроны. Большинство небольших потерь, которые существуют в DSSC, обусловлены потерями проводимости в TiO 2 и прозрачном электроде или оптическими потерями на переднем электроде. Общая квантовая эффективность 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, генерируемое таким элементом, представляет собой просто разницу между ( квази- ) уровнем Ферми TiO 2 и окислительно-восстановительным потенциалом электролита, составляющую около 0,7 В в условиях солнечного освещения (В oc ). То есть, если освещенный DSSC подключить к вольтметру в «разомкнутой цепи», он будет показывать около 0,7 В. Что касается напряжения, DSSC обеспечивают немного более высокое напряжение, чем кремниевые, около 0,7 В по сравнению с 0,6 В. Это разница довольно небольшая, 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 производят ток. Скорость поглощения фотонов зависит от спектра поглощения сенсибилизированного слоя TiO 2 и от спектра солнечного потока. Перекрытие этих двух спектров определяет максимально возможный фототок. Обычно используемые молекулы красителей обычно хуже поглощают красную часть спектра по сравнению с кремнием, а это означает, что меньше фотонов солнечного света можно использовать для генерации тока. Эти факторы ограничивают ток, генерируемый DSSC, для сравнения: традиционный солнечный элемент на основе кремния обеспечивает ток около 35 мА / см 2 , тогда как нынешние DSSC обеспечивают ток около 20 мА/см 2 .

Общий КПД преобразования пиковой мощности для современных DSSC составляет около 11%. [28] [29] Текущий рекорд по прототипам составляет 15%. [30] [31]

Деградация

DSSC деградируют под воздействием света. В 2014 году проникновение воздуха в широко используемый аморфный слой переноса дырок Spiro-MeOTAD было идентифицировано как основная причина деградации, а не окисления. Ущерба можно было избежать, установив соответствующий барьер. [32]

Барьерный слой может включать УФ-стабилизаторы и/или поглощающие УФ-излучение люминесцентные хромофоры (которые излучают более длинные волны, которые могут повторно поглощаться красителем) и антиоксиданты для защиты и повышения эффективности клетки. [33]

Преимущества

DSSC в настоящее время являются наиболее эффективной доступной солнечной технологией третьего поколения [34] (2005 Basic Research Solar Energy Utilization 16). Другие тонкопленочные технологии обычно составляют от 5% до 13%, а традиционные недорогие коммерческие кремниевые панели — от 14% до 17%. Это делает DSSC привлекательными в качестве замены существующих технологий в приложениях с «низкой плотностью», таких как солнечные коллекторы на крыше, где механическая прочность и легкий вес безстеклянного коллектора являются основным преимуществом. Возможно, они не так привлекательны для крупномасштабных развертываний, где более жизнеспособны более дорогие и более эффективные ячейки, но даже небольшое увеличение эффективности преобразования DSSC может сделать их подходящими и для некоторых из этих ролей.

Есть еще одна область, где DSSC особенно привлекательны. Процесс введения электрона непосредственно в TiO 2 качественно отличается от процесса, происходящего в традиционной ячейке, где электрон «раскручивается» внутри исходного кристалла. Теоретически, при низких темпах производства, высокоэнергетический электрон в кремнии может воссоединиться со своей собственной дыркой, испуская фотон (или другую форму энергии), что не приводит к генерации тока. Хотя этот конкретный случай, возможно, не является распространенным, электрон, генерируемый другим атомом, довольно легко объединиться с дыркой, оставшейся после предыдущего фотовозбуждения.

Для сравнения, процесс инжекции, используемый в DSSC, не вводит дырку в TiO 2 , а только добавляет дополнительный электрон. Хотя энергетически возможно рекомбинировать электрон 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 электролита также возможна, хотя, опять же, для оптимизированных устройств эта реакция происходит довольно медленно. [35] Напротив, перенос электронов от электрода с платиновым покрытием к частицам в электролите обязательно происходит очень быстро.

Благодаря такой благоприятной «дифференциальной кинетике» DSSC работают даже в условиях низкой освещенности. Таким образом, DSSC могут работать в пасмурное небо и при отсутствии прямых солнечных лучей, тогда как традиционные конструкции будут страдать от «отключения» при некотором нижнем пределе освещенности, когда подвижность носителей заряда низкая и рекомбинация становится серьезной проблемой. Пороговое значение настолько низкое, что их даже предлагают использовать внутри помещений, собирая энергию для небольших устройств от освещения в доме. [36]

Практическое преимущество, которое DSSC разделяет с большинством тонкопленочных технологий, заключается в том, что механическая прочность элемента косвенно приводит к более высокой эффективности при более высоких температурах. В любом полупроводнике повышение температуры «механически» приведет к попаданию некоторых электронов в зону проводимости. Хрупкость традиционных кремниевых элементов требует их защиты от непогоды, обычно заключая их в стеклянный ящик, похожий на теплицу , с металлической подложкой для прочности. Эффективность таких систем заметно снижается из-за внутреннего нагрева элементов. DSSC обычно изготавливаются только с тонким слоем проводящего пластика на переднем слое, что позволяет им гораздо легче излучать тепло и, следовательно, работать при более низких внутренних температурах.

Недостатки

Основным недостатком конструкции DSSC является использование жидкого электролита, который имеет проблемы с температурной стабильностью. При низких температурах электролит может замерзнуть, что приведет к прекращению выработки электроэнергии и потенциально приведет к физическому повреждению. Более высокие температуры приводят к расширению жидкости, что делает герметизацию панелей серьезной проблемой. Еще одним недостатком является то, что для производства DSSC необходимы дорогостоящие рутений (краситель), платина (катализатор) и проводящее стекло или пластик (контакт). Третий серьезный 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, а также тот факт, что растворители проникают в пластик, препятствует его крупномасштабному наружному применению и интеграции в гибкие конструкции. [37]

Замена жидкого электролита твердым является основной постоянной областью исследований. Недавние эксперименты с использованием затвердевших расплавленных солей показали некоторые многообещающие результаты, но в настоящее время они страдают от более высокой деградации во время продолжительной эксплуатации и не являются гибкими. [38]

Фотокатоды и тандемные ячейки

Солнечные элементы, сенсибилизированные красителем, работают как фотоанод (n-DSC), где фототок возникает в результате инъекции электронов сенсибилизированным красителем. Фотокатоды (p-DSC) работают в обратном режиме по сравнению с обычным n-DSC, где за возбуждением красителя следует быстрый перенос электронов от полупроводника p-типа к красителю (инжекция дырок, сенсибилизированных красителем, вместо инъекции электронов). . Такие p-DSC и n-DSC можно комбинировать для создания тандемных солнечных элементов (pn-DSC), а теоретическая эффективность тандемных DSC значительно превосходит эффективность однопереходных DSC.

Стандартная тандемная ячейка состоит из одного n-ДСК и одного p-ДСК в простой сэндвич-конфигурации с промежуточным слоем электролита. n-ДСК и p-ДСК соединены последовательно, что означает, что результирующий фототок будет контролироваться самым слабым фотоэлектродом, тогда как фотонапряжения аддитивны. Таким образом, согласование фототоков очень важно для создания высокоэффективных тандемных pn-ДСК. Однако, в отличие от n-DSC, быстрая рекомбинация заряда после инъекции сенсибилизированных красителем дырок обычно приводила к низким фототокам в p-DSC и, таким образом, снижала эффективность всего устройства.

Исследователи обнаружили, что использование красителей, содержащих периленмоноимид (PMI) в качестве акцептора и олиготиофен, связанный с трифениламином в качестве донора, значительно улучшает производительность p-DSC за счет снижения скорости рекомбинации заряда после инъекции сенсибилизированных красителем дырок. Исследователи сконструировали тандемное устройство ДСК с NiO на стороне p-ДСК и TiO 2 на стороне n-ДСК. Согласование фототоков достигалось за счет регулировки толщины пленок NiO и TiO 2 для контроля оптического поглощения и, следовательно, согласования фототоков обоих электродов. Эффективность преобразования энергии устройства составляет 1,91%, что превышает эффективность его отдельных компонентов, но все же значительно ниже, чем у высокопроизводительных устройств n-DSC (6–11%). Результаты по-прежнему многообещающие, поскольку тандемный DSC сам по себе был в зачаточном состоянии. Резкое улучшение производительности p-DSC может в конечном итоге привести к созданию тандемных устройств с гораздо большей эффективностью, чем одиночные n-DSC. [39]

Как упоминалось ранее, использование твердотельного электролита имеет ряд преимуществ перед жидкой системой (например, отсутствие утечек и более быстрый перенос заряда), что также было реализовано для фотокатодов, сенсибилизированных красителем. Используя материалы, переносящие электроны, такие как PCBM, [40] TiO 2 [41] [42] и ZnO [43] вместо обычного жидкого электролита окислительно-восстановительной пары, исследователям удалось изготовить твердотельные p-DSC (p-ssDSC), стремясь для твердотельных тандемных солнечных элементов, сенсибилизированных красителем, которые могут обеспечить гораздо более высокие фотонапряжения, чем жидкостные тандемные устройства. [44]

Разработка

«Black Dye», анионный комплекс Ру-терпиридина.

Красители, использованные в первых экспериментальных ячейках (около 1995 г.), были чувствительны только к высокочастотному концу солнечного спектра, к УФ-излучению и синему свету. Быстро были представлены новые версии (около 1999 г.), которые имели гораздо более широкую частотную характеристику, в частности «трискарбокси-рутениев терпиридин» [Ru(4,4',4"-(COOH) 3 -terpy)(NCS) 3 ], который эффективен. вплоть до низкочастотного диапазона красного и ИК- света . Широкий спектральный отклик приводит к тому , что краситель имеет глубокий коричнево-черный цвет и называется просто «черным красителем». Преобразование фотона в электрон, первоначально около 80%, но улучшенное до почти идеального преобразования в более поздних красителях, общая эффективность составляет около 90%, причем «потерянные» 10% в основном объясняются оптическими потерями в верхнем электроде.

Солнечный элемент должен быть способен производить электроэнергию в течение как минимум двадцати лет без существенного снижения эффективности ( срока службы ). Система «черного красителя» подверглась 50 миллионам циклов, что эквивалентно десяти годам пребывания на солнце в Швейцарии. Заметного снижения производительности не наблюдалось. Однако краситель может разрушаться в условиях яркого освещения. За последнее десятилетие была реализована обширная исследовательская программа для решения этих проблем. Новые красители включали тетрацианоборат 1-этил-3-метилимидазолия [EMIB(CN) 4 ], который чрезвычайно устойчив к свету и температуре, медно-диселеновый [Cu(In,GA)Se 2 ], который обеспечивает более высокую эффективность преобразования, и другие с различные свойства специального назначения.

DSSC все еще находятся в начале цикла разработки. Повышение эффективности возможно, и в последнее время началось более широкое исследование. К ним относятся использование квантовых точек для преобразования света более высокой энергии (более высокой частоты) во множество электронов, использование твердотельных электролитов для лучшего температурного отклика и изменение легирования TiO 2 для лучшего соответствия его используемому электролиту.

Новые разработки

2003 г.

Сообщается, что группа исследователей из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) увеличила термостабильность ДСК, используя амфифильный рутениевый сенсибилизатор в сочетании с квазитвердотельным гелевым электролитом. Стабильность устройства соответствует стабильности обычного солнечного элемента на основе неорганического кремния. Ячейка выдерживала нагрев в течение 1000 ч при температуре 80 °С.

Ранее группа подготовила рутениевый амфифильный краситель Z-907 (цис-Ru(H 2 dcbpy)(dnbpy)(NCS) 2 , где лигандом H 2 dcbpy является 4,4'-дикарбоновая кислота-2,2'-бипиридин. и dnbpy представляет собой 4,4'-динонил-2,2'-бипиридин) для повышения устойчивости красителя к воде в электролитах. Кроме того, группа также подготовила квазитвердотельный гелевый электролит с жидким электролитом на основе 3-метоксипропионитрила (МПН), который отверждался фотохимически стабильным фторсодержащим полимером, поливинилиденфторид-когексафторпропиленом ( ПВДФ -ГФП).

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 к тепловым нагрузкам и воздействию света. Высокая эффективность преобразования ячейки сохранялась после нагрева в течение 1000 часов при температуре 80 °C, сохраняя 94% от ее первоначального значения. После ускоренных испытаний на солнечном имитаторе в течение 1000 часов светового воздействия при температуре 55 °C (100 мВт/см2 ) эффективность снизилась менее чем на 5% для ячеек, покрытых полимерной пленкой, поглощающей ультрафиолет. Эти результаты находятся в пределах, присущих традиционным солнечным элементам из неорганического кремния.

Улучшение характеристик может быть результатом уменьшения проникновения растворителя через герметик из-за применения полимерного гелевого электролита. Полимерный гелевый электролит квазитвердый 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 термическом стрессе, так и при воздействии света никогда раньше не наблюдалась в ДСК, и они соответствуют критериям долговечности, применяемым к солнечным элементам для наружного использования, что делает эти устройства жизнеспособными для практического применения. [46] [47]

2006 г.

Сообщается о первых успешных твердогибридных солнечных элементах, сенсибилизированных красителем. [38]

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 нанопроволок и комбинация нанопроволок и наночастиц , чтобы обеспечить прямой путь к электроду через зона проводимости полупроводника. Такие структуры могут обеспечить средство повышения квантовой эффективности DSSC в красной области спектра, где их производительность в настоящее время ограничена. [48]

В августе 2006 года, чтобы доказать химическую и термическую устойчивость солнечного элемента из тетрацианбората 1-этил-3-метилимидазолия, исследователи подвергли устройства нагреву при температуре 80 °C в темноте в течение 1000 часов, а затем выдерживали свет при температуре 60 °C в течение 1000 часов. 1000 часов. После нагрева в темноте и выдержки на свету первоначальная фотоэлектрическая эффективность сохранялась на уровне 90 % — впервые такая превосходная термическая стабильность наблюдалась для жидкого электролита, демонстрирующего столь высокую эффективность преобразования. В отличие от кремниевых солнечных элементов , производительность которых снижается с повышением температуры, на сенсибилизированные красителем солнечные элементы влияние было лишь незначительным при повышении рабочей температуры от окружающей до 60 °C.

2007 год

Уэйн Кэмпбелл из Университета Мэсси , Новая Зеландия, экспериментировал с широким спектром органических красителей на основе порфирина . [49] В природе порфирин является основным строительным блоком гемопротеинов , в том числе хлорофилла у растений и гемоглобина у животных. Он сообщает, что эффективность использования этих недорогих красителей составляет порядка 5,6%. [50]

2008 год

Статья, опубликованная в журнале Nature Materials , продемонстрировала эффективность ячейки на уровне 8,2% при использовании нового жидкого окислительно-восстановительного электролита, не содержащего растворителей, состоящего из расплава трех солей, в качестве альтернативы использованию органических растворителей в качестве раствора электролита. Хотя эффективность этого электролита составляет менее 11%, которые достигаются при использовании существующих растворов на основе йода, команда уверена, что эффективность можно повысить. [51]

2009 год

Группа исследователей из Технологического института Джорджии создала сенсибилизированные красителем солнечные элементы с более высокой эффективной площадью поверхности, обернув их вокруг кварцевого оптического волокна . [52] [53] Исследователи удалили оболочку с оптических волокон, вырастили вдоль поверхности нанопроволоки оксида цинка , обработали их молекулами красителя, окружили волокна электролитом и металлической пленкой, уносящей электроны с волокна. Ячейки в шесть раз более эффективны, чем ячейки из оксида цинка с той же площадью поверхности. [52] Фотоны отскакивают внутри волокна во время движения, поэтому появляется больше шансов взаимодействовать с солнечным элементом и производить больший ток. Эти устройства собирают свет только на кончиках, но будущие оптоволоконные ячейки можно будет поглощать свет по всей длине волокна, для чего потребуется покрытие, которое будет одновременно проводящим и прозрачным . [52] Макс Штейн из Мичиганского университета сказал, что для таких клеток не потребуется система слежения за солнцем , и она будет работать в пасмурные дни, когда свет рассеян. [52]

2010 год

Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны и Университета Квебека в Монреале утверждают, что преодолели две основные проблемы DSC: [54]

2011 год

В июне компании Dyesol и Tata Steel Europe объявили о разработке крупнейшего в мире сенсибилизированного красителем фотоэлектрического модуля, печатаемого на стали на непрерывной линии. [56]

В октябре Dyesol и CSIRO объявили об успешном завершении второго этапа совместного проекта Dyesol/CSIRO. Директор Dyesol Гордон Томпсон сказал: «Материалы, разработанные в ходе этого совместного сотрудничества, могут значительно продвинуть коммерциализацию ДСК в ряде применений, где производительность и стабильность являются важными требованиями. Компания Dyesol чрезвычайно воодушевлена ​​прорывами в химии, позволяющими производить целевых молекул. Это открывает путь к немедленному коммерческому использованию этих новых материалов». [57]

В ноябре компании Dyesol и Tata Steel Europe объявили о целенаправленной разработке конкурентоспособной солнечной стали BIPV Grid Parity, которая не требует субсидируемых государством тарифов на подачу электроэнергии. Кровля TATA-Dyesol «Solar Steel» в настоящее время устанавливается в Центре устойчивых строительных конструкций (SBEC) в Шоттоне, Уэльс. [58] [59]

2012 год

Исследователи Северо-Западного университета объявили [60] о решении основной проблемы DSSC, а именно трудностей в использовании и удержании жидкого электролита и, как следствие, об относительно коротком сроке службы устройства. Это достигается за счет использования нанотехнологий и преобразования жидкого электролита в твердое. Текущий КПД примерно вдвое ниже, чем у кремниевых элементов, но элементы легкие и потенциально имеют гораздо более низкую стоимость производства.

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 материалов с твердой дырочной проводимостью. С 2009 по 2013 год эффективность твердотельных DSSC резко возросла с 4% до 15%. Михаэль Гретцель объявил о создании твердотельных DSSC с эффективностью 15,0%, достигнутой с помощью гибридного перовскитного красителя CH 3 NH 3 PbI 3 , впоследствии осажденного из разделенных растворов CH 3 NH 3 I и PbI 2 . [31]

Первая архитектурная интеграция была продемонстрирована в конференц-центре SwissTech EPFL в партнерстве с Romande Energie. Общая площадь 300 м 2 , 1400 модулей 50 см х 35 см. Разработан художниками Даниэлем Шлепфером и Катрин Болле. [61]

2018 год

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 растет линейно; однако извлечение заряда также зависело от концентрации. Они обнаружили, что при оптимизированной концентрации общая эффективность преобразования энергии улучшилась с 5,31 до 8,86% для солнечных элементов, сенсибилизированных красителем Y123. [62]

Синтез одномерных наноструктур TiO 2 непосредственно на подложках из стекла из оксида олова, легированного фтором, был успешно продемонстрирован с помощью двухступенчатой ​​сольвотермической реакции. [63] Кроме того, благодаря обработке золем TiO 2 производительность двойных ячеек нанопроволоки TiO 2 была улучшена, достигнув эффективности преобразования энергии 7,65%. [64]

Сообщалось о противоэлектродах на основе нержавеющей стали для DSSC, которые еще больше снижают стоимость по сравнению с обычными противоэлектродами на основе платины и подходят для наружного применения. [65] [66]

Исследователи из EPFL усовершенствовали DSSC на основе медных комплексов окислительно-восстановительных электролитов, которые достигли эффективности 13,1% при стандартном AM1.5G, условиях 100 мВт/см 2 и рекордной эффективности 32% при 1000 люкс внутреннего освещения. [67] [68]

Исследователи из Уппсальского университета использовали полупроводники n-типа вместо окислительно-восстановительного электролита для изготовления твердотельных солнечных элементов p-типа, сенсибилизированных красителем. [43] [42]

2021 год

Область фотоэлектрических систем, интегрированных в здания (BIPV), привлекла внимание научного сообщества благодаря своей способности снижать загрязнение окружающей среды, затраты на материалы и электроэнергию, а также улучшать эстетику здания. [69] В последние годы ученые искали способы включения DSSC в приложения BIPV, поскольку доминирующие на рынке фотоэлектрические системы на основе Si имеют ограниченное присутствие в этой области из-за их энергоемких методов производства, низкой эффективности преобразования при низкая интенсивность освещения и высокие требования к техническому обслуживанию. [70] В 2021 году группа исследователей из Силезского технического университета в Польше разработала DSSC, в котором классический стеклянный противоэлектрод был заменен электродом на основе керамической плитки и никелевой фольги. Мотивом для этого изменения было то, что, несмотря на то, что стеклянные подложки привели к самой высокой зарегистрированной эффективности для DSSC, для применений BIPV, таких как черепица или фасады зданий, необходимы более легкие и более гибкие материалы. Сюда входят пластиковые пленки, металлы, сталь или бумага, что также может снизить производственные затраты. Команда обнаружила, что элемент имел эффективность 4% (близко к эффективности солнечного элемента со стеклянным противоэлектродом), что продемонстрировало потенциал для создания интегрированных в здание DSSC, которые являются стабильными и недорогими. [71]

2022 год

Фотосенсибилизаторы — это красящие соединения, которые поглощают фотоны падающего света и выбрасывают электроны, производя электрический ток, который можно использовать для питания устройства или запоминающего устройства. Согласно новому исследованию, проведенному Михаэлем Гретцелем и его коллегой-ученым Андерсом Хагфельдтом , достижения в области фотосенсибилизаторов привели к существенному улучшению характеристик DSSC в условиях солнечного света и окружающего освещения. Еще одним ключевым фактором для достижения рекордов преобразования энергии является косенсибилизация, поскольку она позволяет сочетать красители, которые могут поглощать свет в более широком диапазоне светового спектра. [72] Косенсибилизация — это метод химического производства, при котором производятся электроды DSSC, содержащие два или более различных красителей с дополняющими друг друга способностями оптического поглощения , что позволяет использовать весь доступный солнечный свет. [73]

Исследователи из Швейцарской федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) обнаружили, что эффективность косенсибилизированных солнечных элементов можно повысить за счет предварительной адсорбции монослоя производного гидроксамовой кислоты на поверхности нанокристаллического мезопористого диоксида титана, который действует как переносчик электронов. Механизм электрода. Двумя молекулами фотосенсибилизатора, использованными в исследовании, были органический краситель SL9, который служил основным сборщиком длинноволнового света, и краситель SL10, который обеспечивал дополнительный пик поглощения, который компенсирует неэффективный сбор синего света SL9. Было обнаружено, что добавление этого слоя гидроксамовой кислоты улучшает молекулярную упаковку и упорядоченность слоя красителя. Это замедлило адсорбцию сенсибилизаторов и увеличило квантовый выход их флуоресценции , повысив эффективность преобразования энергии клетки. [74]

Разработанная командой DSSC показала рекордную эффективность преобразования энергии в 15,2% при стандартном глобальном моделируемом солнечном свете и долгосрочную стабильность работы в течение 500 часов. Кроме того, устройства с большей активной площадью показали эффективность около 30% при сохранении высокой стабильности, что открывает новые возможности для области DSSC. [74]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Ван, Хайин «Солнечные элементы, сенсибилизированные красителем», Химический факультет Университета Алабамы, стр. 3, опубликовано в 2004 г.
  2. ^ «Сенсибилизированные красителем и тонкопленочные солнечные элементы», Европейский институт энергетических исследований, 30 июня 2006 г.
  3. ^ EarlyHistory. Архивировано 28 марта 2016 г. в Wayback Machine . Workspace.imperial.ac.uk. Проверено 30 мая 2013 г.
  4. ^ О'Риган, Брайан; Гретцель, Майкл (1991). «Недорогой высокоэффективный солнечный элемент на основе сенсибилизированных красителем коллоидных пленок TiO2». Природа . 353 (6346): 737–40. Бибкод : 1991Natur.353..737O. дои : 10.1038/353737a0. S2CID  4340159.
  5. ^ Профессор Гретцель выигрывает главный приз в области технологий тысячелетия 2010 года в области солнечных элементов, сенсибилизированных красителями, Технологическая академия Финляндии, 14 июня 2010 г.
  6. ^ Трибуч, Х (2004). «Солнечные элементы сенсибилизации к красителю: критическая оценка кривой обучения». Обзоры координационной химии . 248 (13–14): 1511–30. doi : 10.1016/j.ccr.2004.05.030.
  7. ^ ab «Фотоэлектрические элементы (солнечные элементы), как они работают». specmat.com. Архивировано из оригинала 18 мая 2007 года . Проверено 22 мая 2007 г.
  8. ^ «LONGi устанавливает новый мировой рекорд 27,09% эффективности кремниевых солнечных элементов с задним контактом гетероперехода (HBC)» . Лонги . Проверено 13 марта 2024 г.
  9. ^ Рюле, Свен (2016). «Табличные значения предела Шокли – Кейсера для однопереходных солнечных элементов». Солнечная энергия . 130 : 139–47. Бибкод : 2016SoEn..130..139R. doi :10.1016/j.solener.2016.02.015.
  10. ^ Геришер, Х; Мишель-Байерле, Мэн; Ребентрост, Ф; Трибуч, Х (1968). «Сенсибилизация инжекции заряда в полупроводники с большой запрещенной зоной». Электрохимика Акта . 13 (6): 1509–15. дои : 10.1016/0013-4686(68)80076-3.
  11. ^ Трибуч, Х; Кальвин, М. (1971). «Электрохимия возбужденных молекул: фотоэлектрохимические реакции хлорофиллов». Фотохимия и фотобиология . 14 (2): 95–112. doi :10.1111/j.1751-1097.1971.tb06156.x. S2CID  97431760.
  12. ^ Трибуч, Хельмут (2008). «Реакция возбужденных молекул хлорофилла на электродах и при фотосинтезе». Фотохимия и фотобиология . 16 (4): 261–9. doi :10.1111/j.1751-1097.1972.tb06297.x. S2CID  94054808.
  13. ^ Мацумура, Мичио; Мацудайра, Сигэюки; Цубомура, Хироши; Таката, Масасуке; Янагида, Хироаки (1980). «Сенсибилизация красителем и структура поверхности полупроводниковых электродов». Исследования и разработки продуктов промышленной и инженерной химии . 19 (3): 415–21. дои : 10.1021/i360075a025.
  14. ^ Тиан, Хайнин; Гарднер, Джеймс; Эдвинссон, Томас; Пати, Палас Б.; Конг, Цзяян; Сюй, Бо; Абрахамссон, Мария; Каппель, Юте Б.; Бареа, Ева М. (19 августа 2019 г.), «ГЛАВА 3: Сенсибилизированные красителями солнечные элементы», Материалы для улавливания солнечной энергии , Серия неорганических материалов, стр. 89–152, номер документа : 10.1039/9781788013512-00089, ISBN 978-1-78801-107-5, S2CID  202418222
  15. ^ Юнас, М.; Баруд, Турки Н.; Гондал, Массачусетс; Дастагер, Массачусетс; Джаннелис, Эммануэль П. (август 2020 г.). «Высокоэффективные и экономичные противоэлектроды для сенсибилизированных красителем солнечных элементов (DSSC), дополненных высокомезопористым углеродом». Журнал источников энергии . 468 : 228359. Бибкод : 2020JPS...46828359Y. doi : 10.1016/j.jpowsour.2020.228359. S2CID  219920483.
  16. ^ Затиростами, Ахмад (декабрь 2020 г.). «Электроосажденный SnSe на ITO: недорогой и высокопроизводительный противоэлектрод для DSSC». Журнал сплавов и соединений . 844 : 156151. doi : 10.1016/j.jallcom.2020.156151. S2CID  225022436.
  17. ^ Гуллас, С.; Настаси, Ф.; Пунториро, Ф.; Труссо, С.; Калоджеро, Г. (март 2020 г.). «Наноструктурированный золотой противоэлектрод без платины для DSSC, полученный методом импульсной лазерной абляции». Прикладная наука о поверхности . 506 : 144690. Бибкод : 2020ApSS..50644690G. дои : 10.1016/j.apsusc.2019.144690. S2CID  212976220.
  18. ^ Мехмуд, Умер; Ул Хак Хан, Анвар (ноябрь 2019 г.). «Нанокристаллы PbS, покрытые распылением, как эффективный противоэлектродный материал для солнечных элементов, сенсибилизированных красителями (DSSC), не содержащих платину». Солнечная энергия . 193 : 1–5. Бибкод : 2019SoEn..193....1M. doi :10.1016/j.solener.2019.09.035. S2CID  204199274.
  19. ^ Хуан, И-июнь; Ли, Чуан-Пей; Панг, Хао-Вэй; Ли, Чун-Тин; Фань, Мяо-Сюань; Виттал, Р.; Хо, Го-Чуан (декабрь 2017 г.). «Микроэмульсионно-контролируемый синтез композитных кристаллов CoSe 2 /CoSeO 3 для электрокатализа в сенсибилизированных красителями солнечных элементах». Материалы сегодня Энергия . 6 : 189–197. doi :10.1016/j.mtener.2017.10.004.
  20. ^ Ду, Фэн; Ян, Цюнь; Цинь, Тяньцзе; Ли, Гуан (апрель 2017 г.). «Морфологически контролируемый рост тройных оксидов NiCo2O4 и их применение в сенсибилизированных красителями солнечных элементах в качестве противоэлектродов». Солнечная энергия . 146 : 125–130. Бибкод : 2017SoEn..146..125D. doi :10.1016/j.solener.2017.02.025.
  21. ^ Джин, Чжитун; Чжао, Гуаньюй; Ван, Чжун-Шэн (2018). «Управляемый рост пленок Ni x Co y Se и влияние состава на фотоэлектрические характеристики квазитвердотельных солнечных элементов, сенсибилизированных красителем». Журнал химии материалов C. 6 (15): 3901–3909. дои : 10.1039/C8TC00611C.
  22. ^ Лу, Мань-Нин; Линь, Дженг-Ю; Вэй, Цзы-Чиен (ноябрь 2016 г.). «Изучение основной функции восстановленных нанохлопьев оксида графена в противоэлектроде из сульфида никеля-кобальта для сенсибилизированных красителем солнечных элементов». Журнал источников энергии . 332 : 281–289. Бибкод : 2016JPS...332..281L. дои : 10.1016/j.jpowsour.2016.09.144.
  23. ^ аб Хуан Бискерт , «Сенсибилизированные красителем солнечные элементы». Архивировано 21 декабря 2011 года в Wayback Machine , Департамент физики, Университет Жауме I.
  24. ^ «Инструкции по сборке солнечного элемента с красителем» . Солароникс. Архивировано из оригинала 28 сентября 2007 года . Проверено 22 мая 2007 г.
  25. ^ Хаманн, Томас В.; Дженсен, Ребекка А; Мартинсон, Алекс Б.Ф; Ван Рисвик, Хэл; Хапп, Джозеф Т. (2008). «Выход за пределы сенсибилизированных красителями солнечных элементов текущего поколения». Энергетика и экология . 1 : 66–78. дои : 10.1039/b809672d.
  26. ^ Хара, Кодзиро; Аракава, Хиронори (2005). «Сенсибилизированные красителем солнечные элементы». Справочник по фотоэлектрической науке и технике . стр. 663–700. дои : 10.1002/0470014008.ch15. ISBN 9780470014004.
  27. ^ Тивари, Ашутош; Снуре, Майкл (2008). «Синтез и характеристика нанорастительных электродов ZnO». Журнал нанонауки и нанотехнологий . 8 (8): 3981–7. дои : 10.1166/jnn.2008.299. ПМИД  19049161.
  28. ^ Американское химическое общество, «Ультратонкие, сенсибилизированные красителями солнечные элементы, названные наиболее эффективными на сегодняшний день», ScienceDaily , 20 сентября 2006 г.
  29. ^ Гао, Фейфей; Ван, Юань; Чжан, Цзин; Ши, Донг; Ван, Минкуй; Хамфри-Бейкер, Робин; Ван, Пэн; Закируддин, Шайк М; Гретцель, Майкл (2008). «Новый гетеролептический рутениевый сенсибилизатор повышает поглощающую способность мезопористой пленки диоксида титана для высокоэффективных сенсибилизированных красителем солнечных элементов». Химические коммуникации (23): 2635–7. дои : 10.1039/b802909a. ПМИД  18535691.
  30. ↑ Папагеоргиу, Ник (7 ноября 2013 г.). «Сенсибилизированные красителями солнечные элементы конкурируют по эффективности с обычными элементами» – через actu.epfl.ch. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  31. ^ аб Буршка, Джулиан; Пелле, Норман; Мун, Су-Джин; Хамфри-Бейкер, Робин; Гао, Пэн; Назируддин, Мохаммад К.; Гретцель, Майкл (2013). «Последовательное осаждение как путь к созданию высокопроизводительных солнечных элементов, сенсибилизированных перовскитом». Природа . 499 (7458): 316–9. Бибкод : 2013Natur.499..316B. дои : 10.1038/nature12340. PMID  23842493. S2CID  4348717.
  32. ↑ Эстес, Кэтлин (7 апреля 2014 г.). «Новые открытия, которые помогут продлить срок службы высокоэффективных солнечных элементов». Rdmag.com . Проверено 24 августа 2014 г.
  33. ^ Читтибабу, Кетинни, Г. и др . Фотоэлектрический элемент, европейский патент WO/2004/006292, дата публикации: 15 января 2004 г.
  34. ^ Потребности в фундаментальных исследованиях для использования солнечной энергии. Архивировано 16 июля 2011 года в Wayback Machine , Управление фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США, 2005.
  35. ^ Джессика Крюгер, «Разработка интерфейса в твердотельных солнечных элементах, сенсибилизированных красителем». Архивировано 26 февраля 2006 г. в Wayback Machine , Федеральная политехническая школа Лозанны, 2003 г.
  36. ^ Кимберли Патч, «Солнечная батарея может использоваться как батарея», Technology Research News , 2006 г.
  37. ^ Федеральная политехническая школа Лозанны, «Новый эталон эффективности для сенсибилизированных красителями солнечных элементов», ScienceDaily , 3 ноября 2008 г.
  38. ^ ab Натали Россье-Итен, «Твердые гибридные, сенсибилизированные красителями солнечные элементы: новые органические материалы, рекомбинация заряда и стабильность», Федеральная политехническая школа Лозанны, 2006 г.
  39. ^ Наттестад, А; Мозер, AJ; Фишер, МК Р.; Ченг, Ю.-Б; Мишра, А; Бауэрле, П; Бах, У (2009). «Высокоэффективные фотокатоды для сенсибилизированных красителем тандемных солнечных элементов». Природные материалы . 9 (1): 31–5. Бибкод : 2010NatMa...9...31N. дои : 10.1038/nmat2588. ПМИД  19946281.
  40. ^ Тиан, Хайнин; Хаммарстрем, Лейф; Бошлоо, Геррит; Чжан, Лэй (10 февраля 2016 г.). «Твердотельные сенсибилизированные красителем солнечные элементы p-типа: концепция, эксперимент и механизм». Физическая химия Химическая физика . 18 (7): 5080–5085. Бибкод : 2016PCCP...18.5080Z. дои : 10.1039/C5CP05247E. ISSN  1463-9084. ПМИД  26478116.
  41. ^ Тиан, Хайнин; Хаммарстрем, Лейф; Бошлоо, Геррит; Сунь, Цзюньлян; Кубарт, Томас; Йоханссон, Малин; Ян, Вэньсин; Линь, Цзюньчжун; Чжан, Жибин (20 декабря 2017 г.). «Сверхбыстрая регенерация красителя в мезопористой пленке ядро-оболочка NiO-краситель-TiO2». Физическая химия Химическая физика . 20 (1): 36–40. дои : 10.1039/C7CP07088H . ISSN  1463-9084. ПМИД  29210392.
  42. ^ аб Тиан, Хайнин; Хаммарстрем, Лейф; Бошлоо, Геррит; Клоо, Ларс; Сунь, Цзюньлян; Хуа, Юн; Кубарт, Томас; Линь, Цзюньчжун; Пати, Палас Баран (10 апреля 2018 г.). «Твердотельные солнечные элементы с ядром и оболочкой NiO – краситель – TiO2, сенсибилизированные красителем p-типа». Химические коммуникации . 54 (30): 3739–3742. дои : 10.1039/C8CC00505B . ISSN  1364-548X. ПМИД  29589009.
  43. ^ Аб Сюй, Бо; Тиан, Лей; Этман, Ахмед С.; Сунь, Цзюньлян; Тянь, Хайнин (январь 2019 г.). «Обработанные в растворе нанопористые фотокатоды NiO-краситель-ZnO: на пути к эффективным и стабильным твердотельным сенсибилизированным красителем солнечным элементам p-типа и сенсибилизированным красителем фотоэлектросинтетическим элементам». Нано Энергия . 55 : 59–64. Бибкод : 2019NEne...55...59X. дои :10.1016/j.nanoen.2018.10.054. S2CID  105027678.
  44. ↑ Тиан, Хайнин (26 марта 2019 г.). «Твердотельные сенсибилизированные красителем солнечные элементы p-типа: прогресс, потенциальные применения и проблемы». Устойчивая энергетика и топливо . 3 (4): 888–898. дои : 10.1039/C8SE00581H . ISSN  2398-4902.
  45. ^ Кальянасундарам, К.; Гретцель, Михаэль (2 февраля 1999 г.). «Сенсибилизированные красителем солнечные элементы (DYSC) на основе нанокристаллических оксидных полупроводниковых пленок». Лаборатория фотоники и интерфейсов Федеральной политехнической школы Лозанны . Архивировано из оригинала 6 февраля 2005 года . Проверено 22 мая 2007 г.
  46. ^ Ван, Пэн; Закируддин, Шайк М; Мозер, Жак Э; Назируддин, Мохаммад К.; Секигути, Такаши; Гретцель, Майкл (2003). «Стабильный квазитвердотельный солнечный элемент, сенсибилизированный красителем, с амфифильным рутениевым сенсибилизатором и полимерным гелевым электролитом». Природные материалы . 2 (6): 402–7. Бибкод : 2003NatMa...2..402W. дои : 10.1038/nmat904 . PMID  12754500. S2CID  27383758.
  47. ^ Гретцель, Майкл (2003). «Сенсибилизированные красителем солнечные элементы». Журнал фотохимии и фотобиологии C: Обзоры фотохимии . 4 (2): 145–53. дои : 10.1016/S1389-5567(03)00026-1.
  48. ^ Майкл Бергер, «Нанопровода могут привести к улучшению солнечных элементов», NewswireToday , 06.03.2006
  49. ^ Кэмпбелл, Уэйн М; Джолли, Кеннет В.; Вагнер, Павел; Вагнер, Клаудия; Уолш, Пенни Дж; Гордон, Кейт С; Шмидт-Менде, Лукас; Назируддин, Мохаммад К.; Ван, Цин; Гретцель, Майкл; Офицер Дэвид Л. (2007). «Высокоэффективные порфириновые сенсибилизаторы для сенсибилизированных красителями солнечных элементов». Журнал физической химии C. 111 (32): 11760–2. CiteSeerX 10.1.1.459.6793 . дои : 10.1021/jp0750598. 
  50. ^ Ван, Цин; Кэмпбелл, Уэйн М; Бонфантани, Эдиа Э; Джолли, Кеннет В.; Офицер Дэвид Л.; Уолш, Пенни Дж; Гордон, Кейт; Хамфри-Бейкер, Робин; Назируддин, Мохаммад К.; Гретцель, Майкл (2005). «Эффективный сбор света с использованием зеленых нанокристаллических пленок TiO2, сенсибилизированных Zn-порфирином». Журнал физической химии Б. 109 (32): 15397–409. дои : 10.1021/jp052877w. ПМИД  16852953.
  51. ^ Бай, Ю; Цао, Имин; Чжан, Цзин; Ван, Минкуй; Ли, Ренжи; Ван, Пэн; Закируддин, Шайк М; Гретцель, Майкл (2008). «Высокоэффективные сенсибилизированные красителями солнечные элементы на основе электролитов, не содержащих растворителей, полученных из эвтектических расплавов». Природные материалы . 7 (8): 626–30. Бибкод : 2008NatMa...7..626B. дои : 10.1038/nmat2224. ПМИД  18587401.
  52. ^ abcd Бурзак, Кэтрин (30 октября 2009 г.). «Обертка солнечных элементов вокруг оптического волокна». Обзор технологий . Архивировано из оригинала 30 октября 2009 года . Проверено 31 октября 2009 г.
  53. ^ Вайнтрауб, Бенджамин; Вэй, Ягуан; Ван, Чжун Линь (2009). «Гибридные структуры оптического волокна и нанопроволоки для эффективных трехмерных, сенсибилизированных красителями солнечных элементов». Angewandte Chemie, международное издание . 48 (47): 8981–5. дои : 10.1002/anie.200904492. ПМИД  19852015.
  54. ↑ Коксворт, Бен (8 апреля 2010 г.) Прорыв в области недорогих эффективных солнечных элементов, Gizmag.
  55. ^ Возможны недорогие высокоэффективные солнечные элементы, ScienceDaily, 12 апреля 2010 г.
  56. ^ Tata Steel и Dyesol производят крупнейший в мире фотоэлектрический модуль, сенсибилизированный красителем. Tatasteeleurope.com (10 июня 2011 г.). Проверено 26 июля 2011 г.
  57. ^ Сенсибилизированный красителем солнечный элемент. Архивировано 28 марта 2016 года в Wayback Machine . Дисол (21 октября 2011 г.). Проверено 6 января 2012 г.
  58. ^ Цель индустриализации подтверждена. Дисоль. 21 ноября 2011 г.
  59. ^ DYESOL LIMITED - Ежегодное общее собрание акционеров Diesol 2011 - Интернет-трансляция Boardroom Radio [ постоянная мертвая ссылка ] . Brr.com.au (23 ноября 2011 г.). Проверено 6 января 2012 г.
  60. ↑ Феллман, Меган (23 мая 2012 г.). «Поднятие солнечных технологий на ступеньку выше». Северо-Западный университет.
  61. ^ «В кампусе EPFL есть первое в мире солнечное окно» . Новости ЭПФЛ . 5 ноября 2013 г.
  62. ^ Чандрасекхар, PS; Парашар, Пиюш К; Свами, Санджай Кумар; Дутта, Виреш; Комарала, Вамси К (2018). «Повышение производительности солнечных элементов, сенсибилизированных красителем Y123, с использованием наностержней плазмонного золота». Физическая химия Химическая физика . 20 (14): 9651–8. Бибкод : 2018PCCP...20.9651C. дои : 10.1039/C7CP08445E. ПМИД  29582021.
  63. ^ Картикай, Пурненду; Немала, Шива Шанкар; Маллик, Судханшу (2017). «Одномерный наноструктурированный фотоанод TiO2 для сенсибилизированных красителем солнечных элементов методом гидротермального синтеза». Журнал материаловедения: Материалы в электронике . 28 (15): 11528–33. doi : 10.1007/s10854-017-6950-2. S2CID  136164694.
  64. ^ Лю, Йи-Йи; Йе, Синь-Ю; Ань, Цин-Цин; Лей, Бин-Синь; Сунь, Вэй; Сунь, Чжэнь-Фань (2018). «Новый синтез двойных нанопроводов TiO 2, прямых снизу и изогнутых сверху, для солнечных элементов, сенсибилизированных красителем». Передовая порошковая технология . 29 (6): 1455–62. doi :10.1016/j.apt.2018.03.008. S2CID  139888611.
  65. ^ Немала, Шива Санкар; Картикай, Пурненду; Агравал, Рахул Кумар; Бхаргава, Параг; Маллик, Судханшу; Бом, Сивасамбу (2018). «Несколько слоев проводящих композитных чернил на основе графена для противоэлектродов из нержавеющей стали, не содержащих платину, для DSSC». Солнечная энергия . 169 : 67–74. Бибкод : 2018SoEn..169...67N. doi :10.1016/j.solener.2018.02.061. S2CID  126073469.
  66. ^ Ли, Хэн; Чжао, Цин; Донг, Хуэй; Ма, Цяньли; Ван, Вэй; Сюй, Дуншэн; Ю, Дапэн (2014). «Высокогибкие, недорогие, полностью сенсибилизированные красителями солнечные элементы на основе сетки из нержавеющей стали». Наномасштаб . 6 (21): 13203–12. Бибкод : 2014Nanos...613203L. дои : 10.1039/C4NR03999H. ПМИД  25254313.
  67. ^ Цао, Имин; Лю, Юхан; Закируддин, Шейх Мохаммед; Хагфельдт, Андерс; Гретцель, Майкл (2018). «Прямой контакт слоев селективного извлечения заряда обеспечивает высокоэффективную молекулярную фотогальванику». Джоуль . 2 (6): 1108–1117. Бибкод : 2018Джоуль...2.1108C. дои : 10.1016/j.joule.2018.03.017 .
  68. ^ Сервис, Роберт Ф. (2018). «Солнечные элементы, работающие при слабом освещении, могут заряжать устройства в помещении». Наука . doi : 10.1126/science.aat9682.
  69. ^ «Встроенная в здание фотоэлектрическая система». СЭИА . Проверено 20 ноября 2022 г.
  70. ^ Дхонде, Махеш; Саху, Кирти; Дас, Малядж; Ядав, Ананд; Гош, Пинту; Мурти, Вемпарала Венката Сатьянараяна (1 июня 2022 г.). «Обзор — последние достижения в области сенсибилизированных красителями солнечных элементов; от фотоэлектрода к противоэлектроду». Журнал Электрохимического общества . 169 (6): 066507. Бибкод : 2022JElS..169f6507D. дои : 10.1149/1945-7111/ac741f.
  71. ^ Синдлер, Марек; Шиндлер, Магдалена; Дрыгала, Александра; Лукашкович, Кшиштоф; Каим, Полина; Петрушка, Рафал (4 июля 2021 г.). «Сенсибилизированный красителем солнечный элемент для встроенных в здания фотоэлектрических систем (BIPV)». Материалы . 14 (13): 3743. Бибкод : 2021Mate...14.3743S. дои : 10.3390/ma14133743 . ПМЦ 8269900 . ПМИД  34279313. 
  72. ^ «Новый рекорд эффективности, достигнутый с помощью сенсибилизированных красителем солнечных элементов» . СайТехДейли . 26 октября 2022 г. Проверено 20 ноября 2022 г.
  73. ^ Коул, Жаклин М.; Пепе, Джулио; Аль Бахри, Отман К.; Купер, Кристофер Б. (26 июня 2019 г.). «Косенсибилизация в сенсибилизированных красителями солнечных элементах». Химические обзоры . 119 (12): 7279–7327. doi : 10.1021/acs.chemrev.8b00632. PMID  31013076. S2CID  129943544.
  74. ^ Аб Рен, Ямэн; Чжан, Дэн; Суо, Цзяцзя; Цао, Имин; Эйкемейер, Феликс Т.; Влахопулос, Ник; Закируддин, Шайк М.; Хагфельдт, Андерс; Гретцель, Михаэль (26 октября 2022 г.). «Преадсорбция гидроксисамовой кислоты повышает эффективность косенсибилизированных солнечных элементов». Природа . 613 (7942): 60–65. doi : 10.1038/s41586-022-05460-z. PMID  36288749. S2CID  253160720.

Внешние ссылки

На Wikimedia Commons есть СМИ, связанные с солнечными элементами, сенсибилизированными красителями .