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染料感光性を与えられた太陽電池の技術の最近の傾向

教授によって Ashutosh Tiwari

Ashutosh Tiwari 教授、物質科学の Nanostructured の文書の研究所部門および工学ユタ州立大学
対応する著者: tiwari@eng.utah.edu

現代文明のまさに基礎は電気エネルギーの豊富な供給にあります。 最後の 2 世紀のために、私達の電気の必要性のほとんどは石炭、天燃ガスおよび石油のような化石燃料ソースによって達成されました。 ただし、全体的な電力需要は絶えず増加しています。 エネルギー需要の連続的な増加は私達の社会にきれいな、支持できる回復可能なエネルギー源を環境的に捜させます。1

風、太陽は、水上飛行機および生物量のような複数の互い違いのエネルギー源ここ数十年にわたって探索されてしまいました。 すべてのこれらの独創的なエネルギー源の間で、太陽エネルギーは慣習的な化石燃料によって基づくエネルギー源に最も実用的な代わりとして現れました。 ただし、太陽エネルギーの絶えず増加する興味と、それはまだいくつかの物質的な挑戦のために慣習的な化石燃料ソースと十分に競えません。 例えば、慣習的なケイ素によって基づく太陽電池は高い純度のディフェクトフリーのケイ素を必要とします。 そのような高い純度のケイ素を作り出す費用は非常に高いです。 高く物質的な費用および低負荷の変換効率のために、これらのセルによって作り出される力の費用は慣習的なソースによって作り出されるそれより多く数倍です。

近年、染料感光性を与えられた太陽電池は2,3 (DSSCs)費用有効代わりとして慣習的な太陽電池へのかなりの関心を引きました。 DSSCs は光合性、緑プラントが日光からの化学エネルギーを生成するプロセスに多くの点で類似しているプロセスを作動させます。 これらのセルへの本部は有機性染料分子を収穫するライトの吸着に大きい表面積を提供する厚い半導体の nanoparticle のフィルム (電極) です。 染料分子は電磁スペクトルの目に見える領域のライトを吸収し、それから電子を 「注入して下さい nanostructured 半導体の電極に」。 このプロセスはサイクルをリセットする電解物によって供給される電子提供者の仲介人からの染料への料金転送と一緒に伴われます。

低い生産費のために、 DSSCs に太陽電池工業を革命化する潜在性があります。 ただし、最近まで調査中の共通 DSSC システムは焼結させた半導体の nanoparticles から成っている電極に基づいていました (大抵 TiO2 か ZnO)。 これらの nanoparticle ベースの DSSCs は電子輸送のための半導体の nanoparticles を通ってトラップ限られた拡散に頼ります。

これは組み変えのイベントがより本当らしくなるので、より長い (より少なく精力的な) 波長で装置効率を、特に限定する遅い移送機構です。 nanoparticles のさらに焼結は nonflexible 固体基板のだけこれらのセルの製造を制限する高温を必要とします (~450°C)。 非常に最近私達のグループは焼結させた nanoparticle の電極がエキゾチックな 「nanoplant そっくりの」形態を所有している特に設計されていた電極と取替えられれば DSSC の効率の顕著な増加を達成することができることを示してしまいました (fig.1 を見て下さい)。

図 1. 開発される ZnO nanoplant ベースの DSSC の図式的な図表。

Nanostructured の文書の研究所の Ashutosh Tiwari および彼のチーム教授は直接電気パスが、相互接続された nanoplants によって、かなりシステムの変換効率を高める装置全体生成されるキャリアの急速なコレクションを保障することを示しました。 DSSC の上で使用された ZnO の半導体の nanoplants は低温を使用して育ちました (<150°C) 私達のグループが発明する技術。4 私達の加工の技巧の低温の性質のために、これらの構造はプロセスパラメータのわずかな修正によってポリマー基板で育てることができます。 ZnO nanoplant ベースのポリマー基板は適用範囲が広い太陽電池の製造に使用することができます。

DSSCs は 11% AM 1.5 (1000 の W m) の太陽照明液体の電解物に高く達しました-2効率に基づいていました。 ただし、これらのの大きな問題は DSSCs セルからの液体の電解物の蒸発そして可能な漏出です。 これはこれらのセルの安定性を限定し、また実用化のための DSSC の技術の位取りの深刻な問題を提起します。

最近 DSSCs のソリッドステート穴コレクターとして p タイプの半導体の使用は提案されてしまいました。5 ただし、適切なバンドギャップおよびバンド位置を持っている適した穴のコレクターの欠乏のためにソリッドステート (SS) DSSCs で多くの進歩がまだなされていません。 このフィールドで今のところ行われた穴コレクターとして作業の6,7 ほとんどは CuSCN または CuI の使用を含みました。 CuSCN および CuI が所有しているが適切なバンドギャップおよびバンド位置は、安定性に欠け、近いうちに低下しがちです。

しかし安定性の点では、無機酸化物の半導体はよい候補者です、 p タイプの酸化物の半導体の欠乏のために SS-DSSC の穴コレクターとしてほとんど大抵今までに利用されないし、酸化物の半導体の製造の難しさは染料によって塗られる TiO で層になります2。 NiO および CuAlO は2 アプリケーションのための適したバンドギャップそしてバンド位置を8,9 所有するために SS DSSC で示されていた少数の酸化物間に非常にあります。 NiO および CuAlO が基づいていた2 けれども SS-DSSC はまだかなり安定性が高い、セルの効率非常に低かったです示しました。

これらの太陽電池の劣った実行はに帰因しました: (i) NiO のより低い本質的な伝導性および正孔移動度および CuAlO2、および (ii) NiO および CuAlO のより大きい粒度は2 TiO の気孔のそれと2 比較しま、穴のコレクターと染料間の弱い接触で起因する TiO の2 全体の染められた mesoporous フィルムへの穴のコレクターの浸透を妨げます。 より低い変換効率にもかかわらず、これらの SS DSSCs は非常に安定していました。8,9 SS DSSCs の効率が液体の電解物によって基づく DSSCs と対等に作ることができればそれらに確定的に太陽電池の技術の重大な影響があります。

DSSCs に有用であるためには、将来の p タイプの半導体 (穴コレクター) および染料は次の特別な特性があるように必要となります: (i) p タイプ材料が、 (ii) 方法分解しないで p タイプ材料を沈殿させるために使用できなければなりません染料がライトを吸収する可視スペクトル全体透過でなければ興奮するレベルが TiO の2 伝導帯の底および p タイプ材料の原子価バンドの上部の端の下の基底状態の上にある2 こと TiO の nanocrystallites の染料の単一層を低下させて、 (iii) 染料はそのような物でなければなりません。

非常に最近私達はその CuBO の2私達のグループが検出する新しい p タイプの酸化物を達成します10 上記の条件のほとんどを示してしまいました。 それは 2.6 eV の間接 bandgap および 4.5 eV の直接 bandgap が付いている広いスペクトル領域に透過です。 それは他のすべての知られていた p タイプの酸化物と比較される高い伝導性および正孔移動度を表わします。 多結晶性 CuBO film10 の例えば室温の2 電気伝導率は 1.65 S Cm、-1 CuAlO のための Kawazoe 等が報告した対応する値 (~1-1 S Cm) より高い約11 65% でした2 (図 2) を見て下さい。

図 2. CuBO の電気伝導率2。 差込みは材料の熱電力を示します。

ホール係数および熱電力測定は 1017 cm の2 等級のキャリア密度との p タイプであるために CuBO を示しました-3。 ホールの電気伝導率および測定から推定されたホール移動性は高く ~100 cm2 V-1 s-1、 CuAlO のための Kawazoe 等が報告した対応する値 (~102 cm-1 V-1 s) の約 1011 倍でした2。 それがソリッドステート DSSCs の穴のコレクターのアプリケーションのための2 非常によい候補者であることができることを CuBO の高い電気伝導率そして正孔移動度は提案します。


参照

1. Schipper、 L.; マイヤー、 S.; Howarth、 R.; Steiner、 R.、エネルギー効率および人的活動: 傾向を過ぎて、将来の見通し (ケンブリッジ大学出版局、ケンブリッジ 1997 年)。
2. O'Regan、 B.; Grätzel、 M. の A の低価格、染料によって感光性を与えられるコロイド TiO2 フィルムに、性質 1991 年基づく、高性能の太陽電池 353、 737-739。
3. Grätzel、 M.、 「Photoelectrochemical セル」の、性質 2001 年、 414、 338-344。
4. Tiwari、 A.; Nanoscience およびナノテクノロジー 2008 年、 8、 3981-3987 の ZnO の Nano プラントそっくりの電極の Snure、 M.、 「統合および性格描写」ジャーナル。
5. 李、 B.; Wang、 L.D.; Kang、 B.N.; Wang、 P.、 Qiu、 Y.、 「ソリッドステート染料感光性を与えられた太陽電池の最近の進歩の検討。 太陽エネルギー材料および太陽電池」 2006 年、 90、 549-573。
6. O'Regan、 B.; Lenzmann、 F.; Muis R.; Wienke、 J. 製造される、 「圧力扱われた P25-TiO2 とソリッドステート染料感光性を与えられた太陽電池および CuSCN: 気孔の詰物および IV の分析特性」、材料の化学 2002 年、 14、 5023-5029。
7. Sirimanne、 P.M.; Jeranko、 T.; Bogdanoff、 P.; Fiechter、 S.; Tributsch、染料によって TiO2/染料の CuI の感光性を与えられるソリッドステートセル」、半導体の科学技術 2003 年、 18、 708-712 の写真劣化の H.、 「。
8. Bandara、 J.; 穴のコレクターとして p タイプ NiO が付いている Weerasinghe、 H.、 「ソリッドステート染料感光性を与えられた太陽電池」、太陽エネルギー材料および太陽電池 2005 年、 85、 385-390。
9. Bandara J.; Yasomanee、 J.P.、 「染料感光性を与えられたソリッドステート太陽電池の穴のコレクターとして p タイプの酸化物の半導体」、半導体の科学技術 2007 年、 22、 20-24。
10. Snure、 M.; Tiwari、 A. は、 「CuBO2-A p タイプの透過酸化物」の、応用物理 2007 年、 91、 092123 1-3 に文字を入れます。
11. Kawazoe、 A.H.; Yasukawa、 M.; Hyodo、 H.; Kurita、 M.; Yanagi、 H.; Hosono、 H.、 「CuAlO2 の透過薄膜の P タイプの電気伝導」、性質 1997 年、 389、 939-942。

、版権 AZoNano.com Ashutosh Tiwari (ユタ州立大学) 教授

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

Last Update: 14. June 2013 01:31

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