Tendenze Relative Recenti alla Tecnologia Tintura-Sensibilizzata della Pila Solare

da Prof. Ashutosh Tiwari

Il Professor Ashutosh Tiwari, Laboratorio Di Ricerca Dei Materiali di Nanostructured, Dipartimento di Scienza dei Materiali ed Assistenza Tecnica, Università di Utah
Autore Corrispondente: tiwari@eng.utah.edu

Le fondamenta stesse della civilizzazione moderna si trovano sull'offerta abbondante di energia elettrica. Per gli ultimi due secoli, la maggior parte dei nostri bisogni dell'elettricità sono stati compiuti dalle sorgenti del combustibile fossile quali carbone, gas naturale e petrolio. Tuttavia, la domanda di elettricità globale sta aumentando continuamente. L'aumento continuo nella domanda di energia sta forzando la nostra società cercare in condizioni ambientali le fonti di energia pulite, sostenibili e rinnovabili.1

Parecchi fonti di energia alterne quali vento, solari, idro e la biomassa sono stati esplorati durante gli ultimi parecchi decenni. Fra tutte queste fonti di energia non convenzionali, l'energia solare è emerso come alternativa la più pratica alle fonti di energia basate combustibile fossile convenzionale. Tuttavia, neppure con l'interesse continuamente aumentante nell'energia solare, non può ancora da fare concorrenza completamente alle fonti di energia fossili convenzionali a causa di una serie di sfide materiali. Per esempio, le pile solari basate silicio convenzionale richiedono il silicio senza difetti di elevata purezza. Il costo della produzione del tale silicio di elevata purezza è molto alto. A causa alto del risparmio di temi di conversione di energia bassa e di costo materiale, il costo di potenza prodotto da queste celle è parecchie volte più di quello prodotto dalle sorgenti convenzionali.

Negli ultimi anni, le pile solari tintura-sensibilizzate2,3 (DSSCs)hanno ricevuto la considerevole attenzione come alternativa redditizia alle pile solari convenzionali. DSSCs gestisce sopra un trattamento che è simile sotto diversi aspetti alla fotosintesi, il trattamento tramite cui le piante verdi generano l'energia chimica proveniente da luce solare. La Centrale a queste celle è una pellicola spessa di nanoparticella a semiconduttore (elettrodo) che fornisce una grande area per l'adsorbimento di indicatore luminoso che raccoglie le molecole di tintura organiche. Le molecole di Tintura assorbono l'indicatore luminoso nella regione visibile dello spettro elettromagnetico e poi “inietti„ gli elettroni nell'elettrodo nanostructured a semiconduttore. Questo trattamento è accompagnato da un trasferimento di carica alla tintura da un mediatore del donatore di elettrone fornito da un elettrolito, risistemante il ciclo.

A causa del costo di produzione basso, DSSCs ha potenziale di rivoluzionare l'industria della pila solare. Tuttavia, fino ad oggi i sistemi di DSSC più comuni in esame sono stati basati sugli elettrodi che consistono delle nanoparticelle semicondutrici sinterizzate (principalmente TiO2 o ZnO). Questo a DSSCs basato a nanoparticella conta sulla diffusione trappola-limitata con le nanoparticelle a semiconduttore per il trasporto dell'elettrone.

Ciò è un meccanismo di trasporto lento che limita il risparmio di temi dell'unità, particolarmente alle lunghezze d'onda (meno energetiche) più lunghe, perché gli eventi di ricombinazione diventano più probabili. Inoltre la sinterizzazione delle nanoparticelle richiede la temperatura elevata (~450°C) che limita la lavorazione di queste celle soltanto sui substrati solidi non flessibili. Molto recentemente il nostro gruppo ha indicato che l'importante crescita nel risparmio di temi di DSSC può essere raggiunto se l'elettrodo sinterizzato di nanoparticella è sostituito da un elettrodo specialmente progettato che possiede una morfologia “del tipo di nanoplant„ instabile (vedi fig.1).

Figura 1. Rappresentazione schematica di ZnO a DSSC basato nanoplant sviluppato.

Il Professor Ashutosh Tiwari ed il suo gruppo al Laboratorio Di Ricerca Dei Materiali di Nanostructured ha dimostrato che la via elettrica diretta, se dai nanoplants collegati, assicura la raccolta rapida dei portafili generati in tutto l'unità, che migliora significativamente il risparmio di temi di conversione del sistema. I nanoplants Semiconduttori di ZnO usati dentro sopra DSSC si sono sviluppati facendo uso di una bassa temperatura (<150°C) tecnica inventata dal nostro gruppo.4 A causa della natura di bassa temperatura della nostra tecnica di trattamento, queste strutture possono svilupparsi sui substrati del polimero tramite le leggere modifiche nel parametro di trattamento. A substrati basati nanoplant del polimero di ZnO possono essere usati per da costruzione le pile solari flessibili.

DSSCs ha basato sugli elettroliti liquidi ha raggiunto il risparmio di temi su quanto 11% sotto 1,5 (illuminazione solare 1000-2 di W m). Tuttavia, un problema principale con i questi DSSCs è l'evaporazione e la dispersione possibile dell'elettrolito liquido dalla cella. Ciò limita la stabilità di queste celle ed egualmente pone un problema grave nel riportare in scala su della tecnologia di DSSC per le applicazioni pratiche.

Recentemente l'uso dei semiconduttori P tipi come foro-collettori semi conduttori in DSSCs è stato proposto.5 Tuttavia, a causa della penuria dei collettori adatti del foro che hanno posizioni adeguate della banda e di intervallo di banda, non molti progressi ancora sono stati realizzati sullo stato solido (SS) DSSCs. La Maggior Parte del lavoro realizzato finora in materia hanno compreso6,7 l'uso di CuSCN o di CuI come foro-collettori. Sebbene CuSCN e CuI possiedano un intervallo di banda appropriato e le posizioni della banda, sia mancano della stabilità che tendono a degradarsi in poco tempo.

In termini di stabilità, i semiconduttori inorganici dell'ossido sono buoni candidati Tuttavia, sono stati utilizzati raramente come foro-collettori in SS-DSSC fin qui principalmente a causa della penuria dei semiconduttori P tipi dell'ossido e le difficoltà di lavorazione di un semiconduttore dell'ossido mettono a strati su TiO ricoperto tintura2. I NIO e CuAlO2 sono fra molto i pochi ossidi8,9 che sono stati indicati per possedere l'intervallo di banda e la banda-posizione adatti per l'applicazione in SS DSSC. Sebbene il NIO e il CuAlO2 basino SS-DSSC ha mostrato la stabilità abbastanza alta, il risparmio di temi delle celle era ancora molto basso.

Il rendimento insufficiente di queste pile solari è stato attribuito al: (i) la conducibilità intrinseca e la mobilità di foro più bassa del NIO e CuAlO2 e (ii) le più grandi dimensioni delle particelle del NIO e di CuAlO2 hanno confrontato a quella dei pori2 di TiO, ostacolando l'infiltrazione del collettore del foro nell'intera pellicola mesoporous tinta2 di TiO, che provoca il contatto debole fra il collettore del foro e la tintura. Malgrado il risparmio di temi di conversione più basso, questi SS DSSCs erano molto stabili.8,9 Se il risparmio di temi degli SS DSSCs può essere reso comparabile a DSSCs basato elettrolito liquido, quindi definitivamente avranno impatto significativo sulla tecnologia della pila solare.

Per essere utile in DSSCs, il semiconduttore P tipo futuro (foro-collettore) e la tintura sono richiesti per avere seguenti beni speciali: (i) Il materiale P tipo deve essere trasparente in tutto lo spettro visibile, dove la tintura assorbe l'indicatore luminoso, (ii) Un metodo deve essere disponibile per il deposito del materiale P tipo senza dissolversi o degradando lo strato monomolecolare della tintura sui nanocrystallites2 di TiO, (iii) La tintura deve essere tale che il suo livello emozionante è situato sopra il fondo della banda di conduzione di TiO2 ed il livello del suolo sotto la barriera superiore della banda della valenza del materiale P tipo.

Molto recentemente abbiamo indicato quel CuBO2, un nuovo ossido P tipo scoperto dal nostro gruppo, 10 soddisfacciamo la maggior parte delle condizioni di cui sopra. È trasparente sopra un'ampia ampiezza dello spettro con un bandgap indiretto di eV 2,6 e un bandgap diretto di eV 4,5. Esibisce l'alta mobilità di foro e della conducibilità confrontata a tutti gli altri ossidi P tipi conosciuti. Per esempio la conduttività elettrica di temperatura ambiente del CuBO film102 policristallino era 1,65 S-Cm-1, circa 65% superiore al valore corrispondente (~1 S-Cm-1) riferito da Kawazoe ed altri11 per CuAlO2 (vedi la Fig. 2).

Figura 2. conduttività elettrica Di CuBO2. L'Inserzione mostra la potenza Termoelettrica del materiale.

Il coefficiente di Corridoio e le misurazioni della potenza termoelettriche hanno mostrato il CuBO2 per essere di P tipo con densità di portafili dell'ordine di 1017 cm-3. La mobilità di Corridoio stimata dalla conduttività elettrica e dalle misure di Corridoio era ~100 il cm2 V-1 la s-1, circa 10 volte più superiore al valore corrispondente (~10 cm2 V-1 s-1) riferito da Kawazoe ed altri11 per CuAlO2. L'Alte conduttività elettrica e mobilità di foro di CuBO2 suggerisce che potrebbe essere un candidato molto buon per l'applicazione del collettore del foro in DSSCs semi conduttore.


Riferimenti

1. Schipper, L.; Meyer, S.; Howarth, R.; Steiner, R., Rendimento Energetico E Attività Umana: Dopo le Tendenze, Prospettive Future (Stampa dell'Università di Cambridge, Cambridge, 1997).
2. O'Regan, B.; Grätzel, M., basso costo di A, pila solare basata sulle pellicole colloidali sensibilizzate tintura TiO2, Natura 1991, 353, 737-739 di alta efficienza.
3. Grätzel, M., “celle di Photoelectrochemical„, Natura 2001, 414, 338-344.
4. Tiwari, A.; Snure, M., “Sintesi e Caratterizzazione Giornale degli Elettrodi Del tipo di nana di ZnO„ di Nanoscience e di Nanotecnologia 2008, 8, 3981-3987.
5. Li, B.; Wang, L.D.; Kang, B.N.; Wang, P., Qiu, Y., “Rassegna di progresso recente in pile solari tintura-sensibilizzate semi condutrici. Materiali A energia solare e Pile Solari„ 2006, 90, 549-573.
6. O'Regan, B.; Lenzmann, F.; Muis R.; Wienke, J., “Una pila solare tintura-sensibilizzata semi conduttrice da costruzione con P25-TiO2 trattato a pressione e CuSCN: Analisi del materiale da otturazione e di IV del poro caratteristiche„, Chimica dei Materiali 2002, 14, 5023-5029.
7. Sirimanne, P.m.; Jeranko, T.; Bogdanoff, P.; Fiechter, S.; Tributsch, H., “Sulla fotodegradazione delle celle semi condutrici di CuI tintura/di TiO2 sensibilizzate tintura„, Scienza e Tecnologia 2003, 18, 708-712 A Semiconduttore.
8. Bandara, J.; Weerasinghe, H., “pila solare tintura-sensibilizzata Semi Conduttrice con il NIO P tipo come collettore del foro„, Materiali A energia solare e Pile Solari 2005, 85, 385-390.
9. Bandara J.; Yasomanee, J.P., “semiconduttori P tipi dell'ossido come collettori del foro in pile solari semi condutrici tintura-sensibilizzate„, Scienza e Tecnologia 2007, 22, 20-24 A Semiconduttore.
10. Snure, M.; Tiwari, A., “l'ossido trasparente P tipo di CuBO2-A„, Fisica Applicata Segna 2007 con lettere, 91, 092123 1-3.
11. Kawazoe, A.H.; Yasukawa, M.; Hyodo, H.; Kurita, M.; Yanagi, H.; Hosono, H., “conduzione elettrica P Tipa in pellicole sottili trasparenti di CuAlO2„, Natura 1997, 389, 939-942.

Copyright AZoNano.com, il Professor Ashutosh Tiwari (Università di Utah)

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

Last Update: 14. June 2013 01:28

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