There is 1 related live offer.

Save 25% on magneTherm

Recente Tendensen in de kleurstof-Gevoelig gemaakte Technologie van de Zonnecel

door Prof. Ashutosh Tiwari

Professor Ashutosh Tiwari, het Laboratorium van het Onderzoek van Materialen Nanostructured, Afdeling van de Wetenschap van Materialen en Techniek, Universiteit van Utah
Overeenkomstige auteur: tiwari@eng.utah.edu

De eigenlijke stichting van moderne beschaving ligt op de overvloedige levering van elektroenergie. Voor de laatste twee eeuwen, zijn het grootste deel van onze elektriciteitsbehoeften vervuld door fossiele brandstofbronnen zoals steenkool, aardgas en aardolie. Nochtans, onophoudelijk stijgt de globale elektriciteitsvraag. De ononderbroken verhoging van energiebehoefte dwingt onze maatschappij om naar ecologisch schone, duurzame en vernieuwbare energiebronnen te zoeken.1

Verscheidene afwisselende energiebronnen zoals wind, zonne, hydro en biomassa zijn onderzocht in de loop van de laatste verscheidene decennia. Onder al deze onconventionele energiebronnen, is de zonne-energie als meest praktische alternatief aan conventionele fossiele brandstof gebaseerde energiebronnen te voorschijn gekomen. Nochtans, zelfs met de onophoudelijk stijgende rente in zonne-energie, kan het nog niet volledig met de conventionele fossiele energiebronnen wegens een aantal materiële uitdagingen concurreren. Bijvoorbeeld, vereisen de conventionele silicium gebaseerde zonnecellen hoge zuiverheidssilicium zonder gebreken. De kosten om dergelijk hoge zuiverheidssilicium te produceren zijn zeer hoog. Wegens de hoge materiële kosten en de lage die efficiency van de energieomzetting, zijn de kosten van macht door deze cellen worden veroorzaakt meerdere keren meer dan dat geproduceerd door conventionele bronnen.

De laatste jaren, hebben de kleurstof-gevoelig gemaakte zonnecellen2,3 (DSSCs)aanzienlijke aandacht als rendabel alternatief aan conventionele zonnecellen gekregen. DSSCs werkt op een proces dat in vele opzichten aan fotosynthese, het proces gelijkaardig is waardoor de groene installaties chemische energie van zonlicht produceren. Centraal aan deze cellen is een dikke halfgeleider nanoparticle film (elektrode) die een grote oppervlakte voor de adsorptie van licht oogstend organische kleurstofmolecules verstrekt. De molecules van de Kleurstof absorberen licht in het zichtbare gebied van het elektromagnetische spectrum en „spuit“ dan elektronen in in nanostructured halfgeleiderelektrode. Dit die proces gaat van een lastenoverdracht vergezeld aan de kleurstof van een bemiddelaar van de elektronendonor door een elektrolyt wordt geleverd, terugstellend de cyclus.

Wegens de lage kosten van productie, heeft DSSCs potentieel om de zonnecelindustrie te hervormen. Nochtans, tot onlangs werden de gemeenschappelijkste systemen DSSC in onderzoek gebaseerd op elektroden die uit gesinterde semiconducting nanoparticles (meestal TiO of2 ZnO) bestaan. Deze nanoparticle-gebaseerde DSSCs baseren zich bij de val-beperkte verspreiding door de halfgeleider nanoparticles voor het elektronenvervoer.

Dit is een langzaam vervoermechanisme dat apparatenefficiency, vooral bij langere (minder energieke) golflengten beperkt, omdat de nieuwe combinatiegebeurtenissen waarschijnlijker worden. Bovendien vereist het sinteren van nanoparticles op hoge temperatuur (~450°C) die de vervaardiging van deze cellen slechts op niet flexibele stevige substraten beperkt. Zeer onlangs heeft onze groep aangetoond dat de significante verhoging van de efficiency van DSSC kan worden bereikt als de gesinterde nanoparticle elektrode door een speciaal ontworpen elektrode vervangen wordt die de exotische „nanoplant-als“ morfologie (zie fig.1) bezit.

Figuur 1. Schematisch ontwikkeld diagram van ZnO nanoplant-gebaseerde DSSC.

Professor Ashutosh Tiwari en zijn team bij het Laboratorium van het Onderzoek van Materialen Nanostructured toonde aan dat de directe elektrodieweg, door onderling verbonden wordt verstrekt nanoplants, de snelle die inzameling van carriers verzekert door het apparaat worden geproduceerd, dat beduidend de omzettingsefficiency van het systeem verbetert. Semiconducting ZnO nanoplants binnen boven DSSC wordt gebruikt werd gekweekt gebruikend een lage die temperatuur (<150°C) techniek door onze groep wordt uitgevonden die.4 Wegens de lage temperatuuraard van onze verwerkingstechniek, kunnen deze structuren op polymeersubstraten door lichte wijzigingen in de verwerkingsparameter worden gekweekt. Kunnen de ZnO nanoplant-gebaseerde polymeersubstraten voor het vervaardigen van flexibele zonnecellen worden gebruikt.

DSSCs op vloeibare elektrolyten wordt gebaseerd heeft efficiency zo hoog zoals 11% onder AM 1.5 (1000 W m)-2 zonneverlichting die bereikt. Nochtans, is een belangrijk probleem met deze DSSCs de verdamping en de mogelijke lekkage van de vloeibare elektrolyt van de cel. Dit beperkt de stabiliteit van deze cellen en geeft ook een ernstig probleem in het verhogen van technologie DSSC voor praktische toepassingen.

Onlangs is het gebruik van p-type halfgeleiders als gat-collectoren in vaste toestand in DSSCs voorgesteld.5 Nochtans, wegens de schaarste van geschikte gatencollectoren die juist band-Gap en bandposities hebben, niet is veel vooruitgang nog geboekt voor in vaste toestand (SS) DSSCs. Het Grootste Deel van het werk tot dusver gepresteerd op dit gebied impliceerden6,7 het gebruik van CuSCN of CuI als gat-collectoren. Hoewel CuSCN en CuI een aangewezen bandhiaat bezitten en posities verbinden, zowel heb stabiliteit niet als neig om in een korte tijd te degraderen.

In termen van stabiliteit, zijn de anorganische oxydehalfgeleiders goede kandidaten Nochtans, zijn zij zelden gebruikt als gat-collectoren in ss-DSSC tot op heden meestal wegens de schaarste van p-type oxydehalfgeleiders en moeilijkheden van vervaardiging van een laag van de oxydehalfgeleider op kleurstof met een laag bedekte TiO2. NiO en CuAlO2 zijn onder de zeer weinig oxyden8,9 die zijn getoond om geschikt band-Gap en band-positie voor toepassing in SS DSSC te bezitten. Hoewel NiO en CuAlO2 gebaseerde ss-DSSC vrij hoge stabiliteit toonden, was de efficiency van de cellen nog zeer laag.

De slechte prestaties van deze zonnecellen werden toegeschreven aan: (i) lagere intrinsieke geleidingsvermogen en gatenmobiliteit van NiO en CuAlO2, en (ii) grotere partikelgroottes van NiO en CuAlO2 in vergelijking met dat die van poriën2 TiO, de penetratie van de gatencollector in volledige geverfte mesoporous film TiO2 belemmert, die in zwak contact tussen de gatencollector en de kleurstof resulteert. Ondanks de lagere omzettingsefficiency, deze was SS DSSCs zeer stabiel.8,9 Als de efficiency van SS DSSCs met vloeibare elektrolyt gebaseerde DSSCs kan vergelijkbaar worden gemaakt, dan zullen zij absoluut significante invloed op de zonneceltechnologie hebben.

in DSSCs nuttig te zijn, prospectieve worden de p-type halfgeleider (gat-collector) en de kleurstof vereist om volgende speciale eigenschappen te hebben: (i) moet het p-type materiaal door het zichtbare spectrum transparant zijn, waar de kleurstof licht absorbeert, (ii) de methode van A moet beschikbaar zijn voor het deponeren van het p-type materiaal zonder het oplossen of degraderend monolayer van kleurstof op TiO2 nanocrystallites, (iii) de kleurstof moet zijn dusdanig dat zijn opgewekt niveau boven de bodem van de geleidingsband van TiO en2 het grondniveau onder de hogere rand van de valentieband van het p-type materiaal wordt gevestigd.

Zeer onlangs hebben wij aangetoond dat CuBO2, nieuw die p-type een oxyde door onze groep wordt ontdekt, 10 de meesten van bovengenoemde vereisten vervult. Het is transparant over een brede spectrale waaier met een indirecte bandgap van eV 2.6 en een directe bandgap van eV 4.5. Het stelt hoge geleidingsvermogen en gatenmobiliteit in vergelijking met alle andere bekende p-type oxyden tentoon. Bijvoorbeeld was het kamertemperatuur elektrogeleidingsvermogen van polycrystalline2 CuBO film10 1.65 SCM-1, ongeveer 65% hoger dan de overeenkomstige die waarde (~1 SCM-1) door Kawazoe et al voor11 CuAlO (2 zie Fig. 2) wordt gemeld.

Figuur 2. Elektro geleidingsvermogen van CuBO2. Het Bijvoegsel toont de Thermo-elektrische macht van het materiaal.

Coëfficiënt van de Zaal en de thermo-elektrische machtsmetingen toonden CuBO2 om van p-type met carrier dichtheid van ongeveer 1017 cm te zijn-3. Mobiliteit van de Zaal geschat vanaf de elektrogeleidingsvermogen en van de Zaal metingen was ~100 cm2 V-1 s-1, ongeveer 10 keer hoger dan de overeenkomstige die waarde (~10 cm2 V-1 s-1) door Kawazoe et al voor11 CuAlO wordt gemeld2. Het Hoge elektrogeleidingsvermogen en de gatenmobiliteit van CuBO2 stellen voor dat het een zeer goede kandidaat voor de toepassing van de gatencollector in in vaste toestand DSSCs zou kunnen zijn.


Verwijzingen

1. Schipper, L.; Meyer, S.; Howarth, R.; Steiner, R., de Efficiency van de Energie en Menselijke Activiteit: Voorbij Tendensen, Toekomstige Vooruitzichten (de Universitaire Pers van Cambridge, Cambridge, 1997).
2. O'Regan, B.; Grätzel, M., de lage kosten van A, hoge efficiencyzonnecel baseerde op kleurstof gevoelig gemaakte colloïdale TiO2 films, Aard 1991, 353, 737-739.
3. Grätzel, M., „cellen Photoelectrochemical“, Aard 2001, 414, 338-344.
4. Tiwari, A.; Snure, M., „Synthese en Karakterisering van nano-installatie-als Elektroden“ Dagboek ZnO van Nanoscience en Nanotechnologie 2008, 8, 3981-3987.
5. Li, B.; Wang, L.D.; Kang, B.N.; Wang, P., Qiu, Y., „Overzicht van recente vooruitgang in in vaste toestand kleurstof-gevoelig gemaakte zonnecellen. De Materialen en Zonnecellen“ 2006, 90, 549-573 van de Zonne-energie.
6. O'Regan, B.; Lenzmann, F.; Muis R.; Wienke, J., een „in vaste toestand kleurstof-gevoelig gemaakte die zonnecel met druk-behandelde P25-TiO2 wordt vervaardigd en CuSCN: Analyse van porie het vullen en IV kenmerken“, Chemie van Materialen 2002, 14, 5023-5029.
7. Sirimanne, P.M.; Jeranko, T.; Bogdanoff, P.; Fiechter, S.; Tributsch, H., „Op de fotodegradatie van kleurstof gevoelig gemaakte in vaste toestand TiO2/de cellen van kleurstofCuI“, de Wetenschap en Technologie 2003, 18, 708-712 van de Halfgeleider.
8. Bandara, J.; Weerasinghe, H., „In Vaste Toestand kleurstof-gevoelig gemaakte zonnecel met p-type NiO als gatencollector“, de Materialen en Zonnecellen 2005, 85, 385-390 van de Zonne-energie.
9. Bandara J.; Yasomanee, J.P., „p-type oxydehalfgeleiders als gatencollectoren in kleurstof-gevoelig gemaakte zonnecellen in vaste toestand“, de Wetenschap en Technologie 2007, 22, 20-24 van de Halfgeleider.
10. Snure, M.; Tiwari, A., „cuBO2-een p-type transparant oxyde“, Toegepaste Brieven 2007, 91, 092123 1-3 van de Fysica.
11. Kawazoe, A.H.; Yasukawa, M.; Hyodo, H.; Kurita, M.; Yanagi, H.; Hosono, H., „p-Type elektrogeleiding in transparante dunne films van CuAlO2“, Aard 1997, 389, 939-942.

Copyright AZoNano.com, Professor Ashutosh Tiwari (Universiteit van Utah)

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

Last Update: 14. June 2013 01:16

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