Tendencias Recientes en Tecnología Tinte-Sensibilizada de la Célula Solar

por Profesor Ashutosh Tiwari

Profesor Ashutosh Tiwari, Laboratorio de Investigación de los Materiales de Nanostructured, Departamento de la Ciencia Material e Ingeniería, Universidad de Utah
Autor Correspondiente: tiwari@eng.utah.edu

El mismo asiento de la civilización moderna miente en la fuente abundante de energía eléctrica. Para los dos siglos pasados, la mayor parte de nuestras necesidades de la electricidad han sido satisfechas por fuentes del combustible fósil tales como carbón, gas natural y petróleo. Sin Embargo, la demanda de electricidad global está aumentando contínuo. El aumento contínuo en demanda energética está forzando a nuestra sociedad a explorar para ambientalmente limpio, sostenible y las fuentes de energía renovable.1

Varias fuentes de energía alternas tales como viento, solares, energía hidraúlica y biomasa se han explorado sobre la horma varias décadas. Entre todas estas fuentes de energía poco convencionales, la energía solar ha emergido como opción más práctica a las fuentes de energía basadas combustible fósil convencional. Sin Embargo, incluso con el interés contínuo cada vez mayor en energía solar, todavía no puede competir completo con las fuentes de energía fósiles convencionales debido a varios retos materiales. Por ejemplo, las células solares basadas silicio convencional requieren el silicio sin defecto de la pureza elevada. El costo de producir tal silicio de la pureza elevada es muy alto. Debido a alto la eficiencia de conversión del costo material y de energía inferior, el costo de potencia producido por estas células es varias veces más que lo producida por fuentes convencionales.

Estos últimos años, las células solares tinte-sensibilizadas2,3 (DSSCs)han recibido la considerable atención como opción de poco costo a las células solares convencionales. DSSCs operatorio conectado un proceso que sea similar en muchos aspectos a la fotosíntesis, el proceso por el cual las instalaciones verdes generan energía química de la luz del sol. La Central a estas células es una película gruesa del nanoparticle del semiconductor (electrodo) que proporciona a una superficie grande para la adsorción de la luz que cosecha las moléculas de tinte orgánicas. Las moléculas de Tinte absorben la luz en la región visible del espectro electromágnetico y entonces “inyecte” los electrones en el electrodo nanostructured del semiconductor. Este proceso es acompañado por una transferencia de carga al tinte de un mediador del donante de electrón suministrado por un electrólito, reajustando el ciclo.

Debido al bajo costo de producción, DSSCs tiene potencial de revolucionar la industria de la célula solar. Sin Embargo, hasta hace poco tiempo los sistemas mas comunes de DSSC bajo investigación fueron basados en los electrodos que consistían en nanoparticles semiconductores sinterizados (sobre todo TiO2 o ZnO). Este DSSCs nanoparticle-basado confía en la difusión desvío-limitada a través de los nanoparticles del semiconductor para el transporte del electrón.

Éste es un mecanismo de transporte lento que limita eficiencia del dispositivo, especialmente en longitudes de onda (menos enérgicas) más largas, porque las acciones de la recombinación llegan a ser más probables. Por Otra Parte la sinterización de nanoparticles requiere la temperatura alta (~450°C) que restringe la fabricación de estas células solamente en los substratos sólidos inflexibles. Nuestro grupo ha mostrado Muy recientemente que el aumento importante en la eficiencia de DSSC puede ser logrado si el electrodo sinterizado del nanoparticle es reemplazado por un electrodo especialmente diseñado que posee un exótico “nanoplant-como” morfología (véase fig.1).

El Cuadro 1. diagrama Esquemático de ZnO nanoplant-basó DSSC desarrollado.

Profesor Ashutosh Tiwari y sus personas en el Laboratorio de Investigación de los Materiales de Nanostructured demostró que el camino eléctrico directo, con tal que por los nanoplants interconectados, asegura la colección rápida de portadores generados en el dispositivo, que aumenta importante la eficiencia de conversión del sistema. Los nanoplants Semiconductores de ZnO usados hacia adentro encima de DSSC fueron crecidos usando una baja temperatura (<150°C) técnica inventada por nuestro grupo.4 Debido a la naturaleza de la baja temperatura de nuestra técnica de tramitación, estas estructuras se pueden crecer en los substratos del polímero por modificaciones ligeras en el parámetro de tramitación. ZnO nanoplant-basó los substratos del polímero se puede utilizar para fabricar las células solares flexibles.

DSSCs basó en los electrólitos líquidos ha alcanzado eficiencia de hasta el 11% debajo 1,5 (iluminación solar 1000-2 de W m). Sin Embargo, un problema grave con estos DSSCs es la evaporación y el fuga posible del electrólito líquido de la célula. Esto limita la estabilidad de estas células y también plantea un problema grave en el aumento proporcional de la tecnología de DSSC para las aplicaciones prácticas.

El uso del p-tipo semiconductores como agujero-colectores de estado sólido en DSSCs se ha propuesto Recientemente.5 Sin Embargo, debido a la escasez de los colectores convenientes del agujero que tenían posiciones apropiadas de la banda-separación y de la banda, no mucho progreso todavía se ha hecho en (los SS) DSSCs de estado sólido. La mayor parte del trabajo realizado hasta ahora en este campo implicó6,7 el uso de CuSCN o de CuI como agujero-colectores. Aunque CuSCN y CuI posean una separación de banda apropiada y las posiciones de la banda, faltan estabilidad y tienden a degradar en poco tiempo.

En términos de estabilidad, los semiconductores inorgánicos del óxido son buenos candidatos Sin Embargo, se han utilizado raramente como agujero-colectores en SS-DSSC hasta la fecha sobre todo debido a la escasez del p-tipo semiconductores del óxido y las dificultades de la fabricación de un semiconductor del óxido acodan en TiO recubierto tinte2. Los NIO y CuAlO2 están entre muy los pocos óxidos8,9 que se han mostrado para poseer la banda-separación y la banda-posición convenientes para la aplicación en SS DSSC. Aunque el NIO y el CuAlO2 basaron SS-DSSC mostró estabilidad muy alta, la eficiencia de las células seguía siendo muy inferior.

La degradación de las prestaciones de estas células solares fue atribuida a: (i) una conductividad intrínseca y una movilidad de agujero más inferior del NIO y CuAlO2, y (ii) tamaños de las partículas más grandes del NIO y de CuAlO2 compararon a la de los poros2 de TiO, obstaculizando la penetración del colector del agujero en la película mesoporous teñida entera2 de TiO, que da lugar a contacto débil entre el colector del agujero y el tinte. A Pesar De la eficiencia de conversión más inferior, estos SS DSSCs eran muy estables.8,9 Si la eficiencia de SS DSSCs se puede hacer comparable a DSSCs basado electrólito líquido, después tendrán definitivamente impacto importante en la tecnología de la célula solar.

Para ser útil en DSSCs, el p-tipo anticipado semiconductor (agujero-colector) y el tinte se requiere para tener propiedades especiales siguientes: (i) El p-tipo material debe ser transparente en el espectro visible, donde el tinte absorbe la luz, (ii) Un método debe estar disponible para depositar el p-tipo material sin la disolución o degradando la capa monomolecular del tinte en los nanocrystallites2 de TiO, (iii) El tinte debe ser tal que su nivel emocionado está situado encima de la parte inferior de la banda de conducción de TiO2 y del nivel del suelo debajo del borde superior de la banda de la valencia del p-tipo material.

Hemos mostrado Muy recientemente ese CuBO2, un nuevo p-tipo óxido descubierto por nuestro grupo, 10 satisfacemos la mayor parte de encima de requisitos. Es transparente sobre un rango espectral ancho con un bandgap indirecto del eV 2,6 y un bandgap directo del eV 4,5. Exhibe la alta movilidad de la conductividad y de agujero comparada al resto del p-tipo sabido óxidos. Por ejemplo la conductividad eléctrica de la temperatura ambiente del CuBO policristalino2 film10 era 1,65 S-Cm-1, el cerca de 65% más alto que el valor correspondiente (~1 S-Cm-1) señalado por Kawazoe y otros11 para CuAlO2 (véase Fig. 2).

Cuadro 2. conductividad Eléctrica de CuBO2. La Inserción muestra la potencia Termoeléctrica del material.

El coeficiente de Pasillo y las mediciones de potencia termoeléctricas mostraron el CuBO2 para estar de p-tipo con la densidad de portador de la orden de 1017 cm-3. La movilidad de Pasillo estimada de la conductividad eléctrica y de las mediciones de Pasillo era ~100 cm2 V-1 s-1, cerca de 10 veces más arriba que el valor correspondiente (~10 cm2 V-1 s-1) señalado por Kawazoe y otros11 para CuAlO2. La Altas conductividad eléctrica y movilidad de agujero de CuBO2 sugiere que podría ser un candidato muy bueno a la aplicación del colector del agujero en DSSCs de estado sólido.


Referencias

1. Schipper, L.; Meyer, S.; Howarth, R.; Steiner, R., Rendimiento Energético Y Actividad Humana: Más Allá de Tendencias, Perspectivas Futuras (Prensa de la Universidad de Cambridge, Cambridge, 1997).
2. O'Regan, B.; Grätzel, M., bajo costo de A, célula solar basada en las películas coloidales sensibilizadas tinte TiO2, Naturaleza 1991, 353, 737-739 de la eficacia alta.
3. Grätzel, M., “células de Photoelectrochemical”, Naturaleza 2001, 414, 338-344.
4. Tiwari, A.; Snure, M., “Síntesis y Caracterización de ZnO Nano-Instalación-Como Gorrón de los Electrodos” de Nanoscience y de la Nanotecnología 2008, 8, 3981-3987.
5. Li, B.; Wang, L.D.; Kang, B.N.; Wang, P., Qiu, Y., “Revista del progreso reciente en células solares tinte-sensibilizadas de estado sólido. Materiales De energía solar y Células Solares” 2006, 90, 549-573.
6. O'Regan, B.; Lenzmann, F.; Muis R.; Wienke, J., “Una célula solar tinte-sensibilizada de estado sólido fabricada con P25-TiO2 tratado a presión y CuSCN: Análisis de la carga química e IV del poro características”, Química de Materiales 2002, 14, 5023-5029.
7. Sirimanne, P.M.; Jeranko, T.; Bogdanoff, P.; Fiechter, S.; Tributsch, H., “En la fotodegradación de las células de estado sólido sensibilizadas tinte de CuI de TiO2/del tinte”, de la Ciencia y de la Tecnología 2003, 18, 708-712 del Semiconductor.
8. Bandara, J.; Weerasinghe, H., “célula solar tinte-sensibilizada De Estado Sólido con el p-tipo NIO como colector del agujero”, Materiales De energía solar y Células Solares 2005, 85, 385-390.
9. Bandara J.; Yasomanee, J.P., “p-tipo semiconductores del óxido como colectores del agujero en células solares de estado sólido tinte-sensibilizadas”, Ciencia y Tecnología 2007, 22, 20-24 del Semiconductor.
10. Snure, M.; Tiwari, A., “p-tipo óxido transparente de CuBO2-A”, la Física Aplicada Pone Letras a 2007, 91, 092123 1-3.
11. Kawazoe, A.H.; Yasukawa, M.; Hyodo, H.; Kurita, M.; Yanagi, H.; Hosono, H., “P-Tipo conducción eléctrica en películas finas transparentes de CuAlO2”, Naturaleza 1997, 389, 939-942.

Derechos De Autor AZoNano.com, Profesor Ashutosh Tiwari (Universidad de Utah)

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

Last Update: 14. June 2013 01:55

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