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Neue Tendenzen in der Farbstoffsolarzelle-Technologie

durch Prof Ashutosh Tiwari

Professor Ashutosh Tiwari, Nanostructured-Material-Forschungslabor, Abteilung der Material-Wissenschaft und Technik, University of Utah
Entsprechender Autor: tiwari@eng.utah.edu

Die Basis der modernen Zivilisation liegt auf dem reichlichen Zubehör der elektrischen Energie. Für die letzten zwei Jahrhunderte sind die meisten unseres Strombedarfs durch Quellen des fossilen Brennstoffs wie Kohle, Erdgas und Erdöl erfüllt worden. Jedoch erhöht die globale Stromnachfrage kontinuierlich. Die kontinuierliche Zunahme des Energiebedarfs erzwingt unsere Gesellschaft, nach sauberem, dauerhaftem Umwelt- zu suchen und erneuerbare Energiequellen.1

Einige abwechselnde Energiequellen wie Wind, Solar, Hydro und Biomasse sind über dem Letzten einige Jahrzehnte erforscht worden. Unter allen diesen unkonventionellen Energiequellen ist Solarenergie als praktischste Alternative zu herkömmlicher Fossilienbrennstoff basierten Energiequellen aufgetaucht. Jedoch sogar mit dem kontinuierlich zunehmenden Interesse an der Solarenergie, ist es noch nicht in der Lage, mit dem herkömmlichen fossilen Energieträger wegen einiger materieller Herausforderungen völlig zu konkurrieren. Zum Beispiel benötigen die herkömmliches Silikon basierten Solarzellen fehlerfreies Silikon des hohen Reinheitsgrades. Die Kosten des Produzierens solchen Silikons des hohen Reinheitsgrades sind sehr hoch. Wegen der hohen Umwandlungs-Leistungsfähigkeit der Materialkosten und der niedrigen Energie sind die Stromkosten, die durch diese Zellen produziert werden, mehrmals mehr als die, die durch herkömmliche Quellen produziert wird.

In den letzten Jahren haben2,3 (DSSCs)Farbstoffsolarzellen beträchtliche Aufmerksamkeit als kosteneffektive Alternative zu den herkömmlichen Solarzellen erhalten. DSSCs lassen ein einen Prozess laufen, der in vieler Hinsicht Fotosynthese, der Prozess ähnlich ist, durch den Grünpflanzen chemische Energie vom Sonnenlicht erzeugen. Zentrale zu diesen Zellen ist ein starker Halbleiter Nanoparticlefilm (Elektrode) der eine große Fläche für die Aufnahme der Leuchte organische Farbenmoleküle erntend zur Verfügung stellt. Farbenmoleküle absorbieren Leuchte in der sichtbaren Region des elektromagnetischen Spektrums und dann „spritzen Sie“ Elektronen in die nanostructured Halbleiterelektrode ein. Dieser Prozess wird von einer Gebührenmitteilung auf die Farbe von einem Elektronendonatorvermittler begleitet, der durch einen Elektrolyt zur Verfügung gestellt wird und setzt die Schleife zurück.

Wegen der niedrigen Herstellungskosten, haben DSSCs Potenzial, die Solarzellenindustrie zu revolutionieren. Jedoch bis vor kurzem basierten die geläufigsten DSSC-Anlagen in Untersuchung auf den Elektroden, die aus gesinterten Halbleiter-nanoparticles bestehen (größtenteils TiO2 oder ZnO). Dieses beruhen nanoparticle-basiertes DSSCs auf Falle-begrenzter Diffusion durch die Halbleiter nanoparticles für den Elektronentransport.

Dieses ist eine langsame Transportvorrichtung, die Einheits-Leistungsfähigkeit, besonders an den längeren (weniger Energie) Wellenlängen begrenzt, weil Rekombinationsereignisse wahrscheinlicher werden. Von nanoparticles Außerdem sintern benötigt hohe Temperatur (~450°C), die die Fälschung dieser Zellen nur auf nicht beweglichen festen Substratflächen einschränkt. Sehr vor kurzem hat unsere Gruppe gezeigt, dass bedeutender Anstieg in der Leistungsfähigkeit von DSSC erzielt werden kann, wenn die gesinterte Nanoparticleelektrode durch eine besonders konstruierte Elektrode ausgetauscht wird, die eine exotische „nanoplant ähnliche“ Morphologie besitzt (sehen Sie fig.1).

Abbildung 1. Schematisches Diagramm von ZnO nanoplant-basiertes DSSC entwickelt.

Professor Ashutosh Tiwari und sein Team am Nanostructured-Material-Forschungslabor zeigte, dass die direkte elektrische Bahn, vorausgesetzt durch die verbundenen nanoplants, die schnelle Sammlung von den Transportunternehmern sicherstellt, die während der Einheit erzeugt werden, die beträchtlich die Umwandlungs-Leistungsfähigkeit der Anlage erhöht. Halbleiter-ZnO-nanoplants, die herein über DSSC verwendet wurden, wurden unter Verwendung einer niedrigen Temperatur gewachsen (<150°C) die Technik erfunden von unserer Gruppe.4 Wegen der Art der niedrigen Temperatur unserer Verfahrenstechnik, können diese Zellen auf Polymersubstratflächen durch geringfügige Modifikationen im aufbereitenden Parameter gewachsen werden. Können nanoplant-basierte Polymersubstratflächen ZnO für die Fabrikation von flexiblen Solarzellen verwendet werden.

DSSCs basierte auf flüssigen Elektrolyten haben erreicht Leistungsfähigkeit so hoch wie 11% darunter MORGENS 1,5 (Solarbeleuchtung 1000-2 W m). Jedoch ist ein Hauptschwierigkeit mit diesen DSSCs die Verdampfung und die mögliche Leckage des flüssigen Elektrolyts von der Zelle. Dieses begrenzt die Stabilität dieser Zellen und wirft auch ein ernstes Problem in von DSSC-Technologie für praktische Anwendungen oben einstufen auf.

Vor Kurzem ist der Gebrauch der P-artigen Halbleiter als Festkörper-Lochsammler in DSSCs vorgeschlagen worden.5 Jedoch wegen der Knappheit von den geeigneten Lochsammlern, die richtiges BandGap und Bandstellungen haben, ist nicht viel Fortschritt schon auf Festzustand (SS) DSSCs gemacht worden. Die Meisten der Arbeit, die bis jetzt auf diesem Gebiet durchgeführt wurde, bezogen6,7 den Gebrauch CuSCN oder CuI als Lochsammler mit ein. Obgleich CuSCN und CuI besitzen, ermangeln ein passender Bandabstand und Bandstellungen, Stabilität und neigen, in einer kurzen Zeit zu vermindern.

Im Hinblick auf Stabilität sind anorganische Oxidhalbleiter gute Kandidaten Jedoch, sind sie selten als Lochsammler in SS-DSSC bis jetzt größtenteils wegen der Knappheit von P-artigen Oxidhalbleitern verwendet worden und Schwierigkeiten der Fälschung eines Oxidhalbleiters überlagern auf Farbe beschichtetem TiO2. NIO und CuAlO2 gehören zu den sehr wenigen Oxiden, 8,9 die gezeigt worden sind, um geeignetes BandGap und Bandstellung für Anwendung zu besitzen in SS DSSC. Obwohl das NIO und das CuAlO2 basierten, zeigte SS-DSSC ziemlich hohe Stabilität, die Leistungsfähigkeit der Zellen war noch sehr niedrig.

Die schwache Leistung dieser Solarzellen wurde zugeschrieben: (i) verglichen niedrigere Intrinsic-Leitfähigkeit und Löcherbeweglichkeit von NIO und2 CuAlO und (ii) größere Teilchengrößen von NIO und2 von CuAlO mit der von TiO-2 Poren und hinderten das Durchdringen des Lochsammlers in gesamten gefärbten mesoporous TiO-2 Film, der schwachen Kontakt zwischen dem Lochsammler und der Farbe ergibt. Trotz der niedrigeren Umwandlungs-Leistungsfähigkeit waren diese SS DSSCs sehr stabil.8,9 Wenn die Leistungsfähigkeit von SS DSSCs vergleichbar gemacht werden kann mit flüssiger Elektrolyt basiertem DSSCs, dann haben sie bestimmt beträchtliche Auswirkung auf die Solarzellentechnologie.

Um in DSSCs nützlich zu sein, werden der zukünftige P-artige Halbleiter (Lochsammler) und die Farbe gefordert um folgende spezielle Eigenschaften zu haben: (i) Das P-artige Material muss während des sichtbaren Spektrums transparent sein, in dem die Farbe Leuchte absorbiert, (ii) eine Methode muss für das Abgeben des P-artigen Materials erhältlich sein, ohne sich aufzulösen, oder, die monomolekulare Schicht der Farbe auf TiO-nanocrystallites2 vermindernd, (iii), muss die Farbe so sein, dass seine aufgeregte Stufe über der Unterseite des Leitungsbandes von TiO und2 der Bodenhöhe unterhalb der Oberkante des Valenzbands des P-artigen Materials sich befindet.

Sehr vor kurzem haben wir dieses CuBO,2 ein neues P-artiges Oxid gezeigt, das von unserer Gruppe entdeckt wird, 10 erfüllen die meisten oben genannter Anforderungen. Es ist über einem breiten Spektralbereich mit einem indirekten bandgap von eV 2,6 und einem direkten bandgap von eV 4,5 transparent. Es weist hohe Leitfähigkeit und die Löcherbeweglichkeit auf, die mit allen weiteren bekannten P-artigen Oxiden verglichen wird. Zum Beispiel war die elektrische Leitfähigkeit der Raumtemperatur des polykristallinen2 CuBO film10 1,65 S-Cm-1, ungefähr 65%, das als der entsprechende Wert (~1 S-Cm)-1 höher ist berichtet von Kawazoe et al.11 für CuAlO2 (sehen Sie Feige. 2).

Abbildung 2. Elektrische Leitfähigkeit von CuBO2. Einfügung zeigt die Thermoelektrische Leistung des Materials.

Hallkoeffizient und thermoelektrische Leistungsmessungen zeigten das CuBO2 , um von P-artigem mit Ladungsträgerdichte der Ordnung von 1017 cm zu sein-3. Hallbeweglichkeit, die von der elektrischen Leitfähigkeit und von den Hall-Maßen geschätzt wurde, war ~100 cm2 V-1 s-1, ungefähr 10mal höher als der entsprechende Wert (~10 cm2 V-1 s-1) berichtet von Kawazoe et al.11 für CuAlO2. Hohe elektrische Leitfähigkeit und Löcherbeweglichkeit von CuBO2 schlägt vor, dass es ein sehr guter Kandidat für Lochsammleranwendung in Festkörper-DSSCs sein könnte.


Bezüge

1. Schipper, L.; Meyer, S.; Howarth, R.; Steiner, R., Energieeffizienz und Menschliche Aktivität: Hinter Tendenzen Zukunftsaussichten (Universität von Cambridges-Druckerei, Cambridge, 1997).
2. O'Regan, B.; Grätzel, M., niedrige Kosten A, Solarzelle der hohen Leistungsfähigkeit basiert auf Farbe sensibilisierten kolloidalen Filmen TiO2, Natur 1991, 353, 737-739.
3. Grätzel, M., „Photoelectrochemical-Zellen“, Natur 2001, 414, 338-344.
4. Tiwari, A.; Snure, M., „Synthese und Kennzeichnung von Nano-- Pflanze Ähnlichen Elektroden ZnO“ Zapfen von Nanoscience und von Nanotechnologie 2008, 8, 3981-3987.
5. Li, B.; Wang, L.D.; Kang, B.N.; Wang, P., Qiu, Y., „Zusammenfassung des neuen Fortschritts in den Festkörperfarbstoffsolarzellen. Solarenergie Materialien und Solarzellen“ 2006, 90, 549-573.
6. O'Regan, B.; Lenzmann, F.; Muis R.; Wienke, J., „eine Festkörperfarbstoffsolarzelle fabriziert mit druckbehandeltem P25-TiO2 und CuSCN: Analyse von Pore Füllmaterial und IV Eigenschaften“, Chemie von Materialien 2002, 14, 5023-5029.
7. Sirimanne, P.M.; Jeranko, T.; Bogdanoff, P.; Fiechter, S.; Tributsch, H., „Auf der Fotodegradation von Farbe sensibilisierten Festkörper-TiO2/Farbe CuI-Zellen“, Halbleiter-Wissenschaft Und Technik 2003, 18, 708-712.
8. Bandara, J.; Weerasinghe, H., „Festkörperfarbstoffsolarzelle mit P-artigem NIO als Lochsammler“, Solarenergie-Materialien und Solarzellen 2005, 85, 385-390.
9. Bandara J.; Yasomanee, J.P., „P-artige Oxidhalbleiter als Lochsammler in Farbe-sensibilisierten Festkörpersolarzellen“, Halbleiter-Wissenschaft Und Technik 2007, 22, 20-24.
10. Snure, M.; Tiwari, A., „CuBO2-A P-artiges transparentes Oxid“, Angewandte Physik Bezeichnet 2007, 91, 092123 1-3 mit Buchstaben.
11. Kawazoe, A.H.; Yasukawa, M.; Hyodo, H.; Kurita, M.; Yanagi, H.; Hosono, H., „P-Artige elektrische Leitung in den transparenten Dünnfilmen von CuAlO2“, Natur 1997, 389, 939-942.

Copyright AZoNano.com, Professor Ashutosh Tiwari (University of Utah)

Date Added: Mar 15, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 01:24

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