Tendances Récentes en Technologie Teinture-Sensibilisée de Pile Solaire

par Prof. Ashutosh Tiwari

Professeur Ashutosh Tiwari, Laboratoire de Recherche de Matériaux de Nanostructured, Service du Scientifique et Technique de Matériaux, Université de l'Utah
Auteur Correspondant : tiwari@eng.utah.edu

La fondation même de la civilisation moderne se trouve sur l'alimentation abondante en énergie électrique. Pour les deux derniers siècles, la plupart de nos besoins de l'électricité ont été accomplies par des sources de combustible fossile telles que le charbon, le gaz naturel et le pétrole. Cependant, la demande d'électricité globale augmente continuellement. L'augmentation continue de la demande énergétique force notre société à rechercher ambiant des sources d'énergie propres, viables et renouvelables.1

Plusieurs sources d'énergie alternes telles que le vent, solaire, l'énergie hydraulique et la biomasse ont été explorés au-dessus du bout plusieurs décennies. Parmi toutes ces sources d'énergie non conventionnelles, l'énergie solaire a apparu comme alternative la plus pratique aux sources d'énergie basées de combustible fossile conventionnel. Cependant, même avec l'intérêt continuellement croissant pour l'énergie solaire, il ne peut toujours pas concurrencer entièrement les sources d'énergie fossiles conventionnelles à cause d'un certain nombre de défis matériels. Par exemple, les piles solaires basées de silicium conventionnel ont besoin du silicium sans défaut de grande pureté. Le coût de produire un tel silicium de grande pureté est très élevé. À cause de l'efficience de conversion de coût matériel de haut et d'énergie faible, le coût d'alimentation électrique produit par ces cellules est plusieurs fois davantage que cela produit par des sources conventionnelles.

Ces dernières années, les piles solaires teinture-sensibilisées2,3 (DSSCs)ont suscité l'attention considérable comme alternative rentable aux piles solaires conventionnelles. DSSCs traitent un procédé qui est assimilé à bien des égards à la photosynthèse, le procédé par lequel les plantes vertes produisent de l'énergie chimique de la lumière solaire. Le Central à ces cellules est un film épais de nanoparticle de semi-conducteur (électrode) qui fournit une grande surface pour l'adsorption de la lumière moissonnant les molécules de teinture organiques. Les molécules de teinture Absorbent la lumière dans la région visible du spectre électromagnétique et alors « injectez » les électrons dans l'électrode nanostructured de semi-conducteur. Ce procédé est accompagné d'un transfert des charges à la teinture d'un médiateur de donneur d'électrons fourni par un électrolyte, remettant à l'état initial le cycle.

À cause du coût bas de production, DSSCs ont le potentiel de révolutionner l'industrie de pile solaire. Cependant, jusque récemment les systèmes de DSSC les plus communs étaient à l'étude basés sur des électrodes se composant des nanoparticles semi-conducteurs agglomérés (en grande partie TiO2 ou ZnO). Ces DSSCs nanoparticle-basé se fondent sur la diffusion déroutement-limitée par les nanoparticles de semi-conducteur pour le transport d'électron.

C'est un mécanisme de transport lent qui limite l'efficience de dispositif, particulièrement à de plus longues longueurs d'onde (moins énergétiques), parce que les événements de recombinaison deviennent plus susceptibles. D'ailleurs l'agglomération des nanoparticles exige la température élevée (~450°C) qui limite la fabrication de ces cellules seulement sur les substrats solides non-flexibles. Très récent notre groupe a prouvé que l'augmentation significative dans l'efficience de DSSC peut être réalisée si l'électrode agglomérée de nanoparticle est remplacée par une électrode particulièrement conçue possédant une morphologie « comme nanoplant » exotique (voir le fig.1).

Le Schéma 1. schéma de principe De ZnO DSSC nanoplant-basé développé.

Professeur Ashutosh Tiwari et son équipe au Laboratoire de Recherche de Matériaux de Nanostructured a expliqué que la voie électrique directe, si par les nanoplants interconnectés, assure la collection rapide de porteurs produits dans tout le dispositif, qui augmente de manière significative l'efficience de conversion du système. Des nanoplants Semi-conducteurs de ZnO utilisés dedans au-dessus de DSSC ont été développés utilisant une basse température (<150°C) technique inventée par notre groupe.4 À cause de la nature de basse température de notre technique de traitement, ces structures peuvent être développées sur des substrats de polymère par des modifications minces dans le paramètre de traitement. Des substrats nanoplant-basés de polymère de ZnO peuvent être utilisés pour fabriquer les piles solaires flexibles.

DSSCs basé sur les électrolytes liquides ont atteint l'efficience aussi élevée que 11% dessous AM 1,5 (illumination 1000 solaire-2 de W m). Cependant, un problème majeur avec des ces DSSCs est l'évaporation et la fuite possible de l'électrolyte liquide de la cellule. Ceci limite la stabilité de ces cellules et pose également un problème grave dans l'évaluation de la technologie de DSSC pour des applications pratiques.

Récent l'utilisation des semi-conducteurs de type p en tant que trou-collecteurs semi-conducteurs dans DSSCs a été proposée.5 Cependant, à cause du manque des collecteurs adaptés de trou ayant des positions correctes de bande-écartement et de bande, pas beaucoup de progrès a été encore accompli sur (VAPEUR) DSSCs semi-conducteur. La Majeure Partie du travail effectué jusqu'ici dans ce domaine a comporté6,7 l'utilisation de CuSCN ou de CuI comme trou-collecteurs. Bien Que CuSCN et CuI possèdent un écartement de bande approprié et les positions de bande, manquent de la stabilité et tendent à dégrader en peu de temps.

En termes de stabilité, les semi-conducteurs minéraux d'oxyde sont de bons candidats Cependant, ils rarement ser des trou-collecteurs dans SS-DSSC jusqu'à présent en grande partie à cause du manque des semi-conducteurs de type p d'oxyde et les difficultés de la fabrication d'un semi-conducteur d'oxyde posent sur TiO vêtu par teinture2. Les NIO et le CuAlO2 sont parmi très peu d'oxydes8,9 qui ont été affichés pour posséder le bande-écartement adapté et la bande-position pour l'application dans le VAPEUR DSSC. Bien Que le NIO et le CuAlO2 SS-DSSC basé aient affiché tout à fait de forte stabilité, l'efficience des cellules était toujours très faible.

Le mauvais fonctionnement de ces piles solaires a été attribué au : (i) conductivité intrinsèque et mobilité de trou inférieure de NIO et CuAlO2, et (ii) plus grandes dimensions des particules du NIO et du CuAlO2 comparés à celui des pores2 de TiO, gênant la pénétration du collecteur de trou dans le film mesoporous coloré entier2 de TiO, qui a comme conséquence le faible contact entre le collecteur de trou et la teinture. En Dépit de l'efficience de conversion inférieure, ce VAPEUR DSSCs était très stable.8,9 Si l'efficience du VAPEUR DSSCs peut être rendue comparable à l'électrolyte liquide DSSCs basé, alors il aura réellement l'impact important sur la technologie de pile solaire.

Afin d'être utile dans DSSCs, le semi-conducteur de type p estimatif (trou-collecteur) et la teinture sont exigés pour avoir les propriétés particulières suivantes : (i) Le matériau de type p doit être transparent dans tout le spectre visible, où la teinture absorbe la lumière, (ii) Une méthode doit être disponible pour déposer le matériau de type p sans dissoudre ou dégradant la couche unitaire de la teinture sur des nanocrystallites2 de TiO, (iii) La teinture doit être telle que son niveau enthousiaste est situé au-dessus du bas de la bande de conduction de TiO2 et du niveau du sol ci-dessous l'arête supérieure de la bande de valence du matériau de type p.

Très récent nous avons affiché ce CuBO2, un oxyde de type p neuf découvert par notre groupe, 10 remplit la plupart de conditions ci-dessus. Il est transparent sur un domaine spectral large avec un bandgap indirect de l'eV 2,6 et un bandgap direct de l'eV 4,5. Il montre la mobilité élevée de conductivité et de trou comparée à tous autres oxydes de type p connus. Par exemple la conductivité électrique de température ambiante du CuBO film102 polycristallin était 1,65 le S-Cm-1, environ 65% plus élevé que la valeur correspondante (S-Cm ~1-1) enregistrée par Kawazoe et autres11 pour CuAlO2 (voir la Fig. 2).

Le Schéma 2. conductivité Électrique de CuBO2. La Vignette affiche l'alimentation électrique Thermoélectrique du matériau.

Le coefficient de Hall et les mesures de puissance thermoélectriques ont affiché que le CuBO2 était de type p avec la densité de porteur de la commande du cm 1017-3. La mobilité de Hall prévue à partir de la conductivité électrique et des mesures de Hall était ~100 le cm2 V-1 s-1, environ 10 fois plus haut que la valeur correspondante (~10 cm2 V-1 s-1) enregistrée par Kawazoe et autres11 pour CuAlO2. La conductivité électrique et la mobilité de trou Élevées de CuBO2 suggère que ce pourrait être un candidat très bon pour l'application de collecteur de trou dans DSSCs semi-conducteur.


Références

1. Schipper, L. ; Meyer, S. ; Howarth, R. ; Steiner, R., Rendement Énergétique et Activité Humaine : Au Delà des Tendances, Perspectives D'avenir (Presse d'Université de Cambridge, Cambridge, 1997).
2. O'Regan, B. ; Grätzel, M., coût bas d'A, pile solaire de haute performance basée sur les films TiO2 colloïdaux sensibilisés par teinture, Nature 1991, 353, 737-739.
3. Grätzel, M., « cellules de Photoelectrochemical », Nature 2001, 414, 338-344.
4. Tiwari, A. ; Snure, M., « Synthèse et Caractérisation Tourillon de ZnO d'Électrodes Comme une nano » de Nanoscience et de Nanotechnologie 2008, 8, 3981-3987.
5. Li, B. ; Wang, L.D. ; Kang, B.N. ; Wang, P., Qiu, Y., « Examen de progrès récent en piles solaires teinture-sensibilisées semi-conductrices. Matériaux À énergie solaire et Piles Solaires » 2006, 90, 549-573.
6. O'Regan, B. ; Lenzmann, F. ; Muis R. ; Wienke, J., « Une pile solaire teinture-sensibilisée semi-conductrice fabriquée avec P25-TiO2 traité sous pression et CuSCN : Analyse de l'obturation et d'IV de pore caractéristiques », Chimie des Matériaux 2002, 14, 5023-5029.
7. Sirimanne, P.M. ; Jeranko, T. ; Bogdanoff, P. ; Fiechter, S. ; Tributsch, H., « Sur la photodégradation des cellules semi-conductrices de CuI de TiO2 sensibilisées par teinture/teinture », la Science et Technologie 2003, 18, 708-712 de Semi-conducteur.
8. Bandara, J. ; Weerasinghe, H., « pile solaire teinture-sensibilisée Semi-conductrice avec le NIO de type p comme collecteur de trou », Matériaux À énergie solaire et Piles Solaires 2005, 85, 385-390.
9. Bandara J. ; Yasomanee, J.P., « semi-conducteurs de type p d'oxyde comme collecteurs de trou en piles solaires semi-conductrices teinture-sensibilisées », la Science et Technologie 2007, 22, 20-24 de Semi-conducteur.
10. Snure, M. ; Tiwari, A., « oxyde transparent de type p de CuBO2-A », Physique Appliquée Marque Avec Des Lettres 2007, 91, 092123 1-3.
11. Kawazoe, A.H. ; Yasukawa, M. ; Hyodo, H. ; Kurita, M. ; Yanagi, H. ; Hosono, H., « conduction électrique De type p en films minces transparents de CuAlO2 », Nature 1997, 389, 939-942.

Droit d'auteur AZoNano.com, Professeur Ashutosh Tiwari (Université de l'Utah)

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

Last Update: 14. June 2013 01:20

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit