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Tendências Recentes na Tecnologia Tintura-Sensibilizada da Célula Solar

pelo Prof. Ashutosh Tiwari

Professor Ashutosh Tiwari, Laboratório de Investigação dos Materiais de Nanostructured, Departamento da Ciência de Materiais e Engenharia, Universidade de Utah
Autor Correspondente: tiwari@eng.utah.edu

A fundação mesma da civilização moderna encontra-se na fonte abundante da energia elétrica. Para os últimos dois séculos, a maioria de nossas necessidades da electricidade foram cumpridas por fontes do combustível fóssil tais como o carvão, o gás natural e o petróleo. Contudo, a procura de electricidade global está aumentando continuamente. O aumento contínuo na procura de energia está forçando nossa sociedade a procurarar ambiental por fontes de energia limpas, sustentáveis e renováveis.1

Diversos fontes de energia alternativas tais como o vento, solares, a energia hidráulica e a biomassa foram explorados durante as últimas várias décadas. Entre todas estas fontes de energia não convencionais, a energia solar emergiu como uma alternativa a mais prática combustível fóssil convencional às fontes de energia baseadas. Contudo, mesmo com o interesse continuamente crescente na energia solar, não pode ainda competir inteiramente com as fontes de energia fósseis convencionais devido a um número de desafios materiais. Por exemplo, silicone convencional as células solares baseadas exigem o defeito da pureza alta - silicone livre. O custo de produzir tal silicone da pureza alta é muito alto. Devido à eficiência de conversão do custo material alto e da baixa energia, o custo da potência produzido por estas pilhas é diversas vezes mais do que aquele produzido por fontes convencionais.

Nos últimos anos, as células solares tintura-sensibilizadas2,3 (DSSCs)receberam a atenção considerável como uma alternativa eficaz na redução de custos às células solares convencionais. DSSCs opera sobre um processo que seja similar em vários aspectos à fotossíntese, o processo por que as plantas verdes geram a energia química da luz solar. A Central a estas pilhas é um filme grosso do nanoparticle do semicondutor (eléctrodo) que forneça uma grande área de superfície para a adsorção da luz que colhe moléculas de tintura orgânicas. As moléculas de Tintura absorvem a luz na região visível do espectro eletromagnético e então “injecte” elétrons no eléctrodo nanostructured do semicondutor. Este processo é acompanhado de transferência de carga à tintura de um mediador do doador de elétron fornecido por um eletrólito, restaurando o ciclo.

Devido ao baixo custo de produção, DSSCs tem o potencial revolucionar a indústria da célula solar. Contudo, até que os sistemas os mais comuns de DSSC sob a investigação estiverem baseados recentemente nos eléctrodos que consistem em nanoparticles semiconducting aglomerados (na maior parte TiO2 ou ZnO). Este DSSCs nanoparticle-baseado confia em difusão armadilha-limitada através dos nanoparticles do semicondutor para o transporte do elétron.

Este é um mecanismo de transporte lento que limite a eficiência do dispositivo, especialmente em uns comprimentos de onda (menos energéticos) mais longos, porque os eventos da recombinação se tornam mais prováveis. Além Disso a aglomeração dos nanoparticles exige a alta temperatura (~450°C) que restringe a fabricação destas pilhas somente em carcaças contínuas rígidas. Nosso grupo tem mostrado Muito recentemente que o aumento significativo na eficiência de DSSC pode ser conseguido se o eléctrodo aglomerado do nanoparticle é substituído por um eléctrodo especialmente projetado que possui um exótico “nanoplant-como” a morfologia (veja fig.1).

A Figura 1. diagrama Esquemático de ZnO nanoplant-baseou DSSC desenvolvido.

O Professor Ashutosh Tiwari e sua equipe no Laboratório de Investigação dos Materiais de Nanostructured demonstrou que o caminho elétrico directo, desde que pelos nanoplants interconectados, assegura a coleção rápida dos portadores gerados durante todo o dispositivo, que aumenta significativamente a eficiência de conversão do sistema. Os nanoplants Semiconducting de ZnO usados dentro acima de DSSC foram crescidos de utilização uma baixa temperatura (<150°C) técnica inventada por nosso grupo.4 Devido à natureza da baixa temperatura de nossa técnica de processamento, estas estruturas podem ser crescidas em carcaças do polímero por alterações ligeiras no parâmetro de processamento. ZnO nanoplant-baseou carcaças do polímero pode ser usado fabricando células solares flexíveis.

DSSCs baseou em eletrólitos líquidos alcançou a eficiência tão altamente quanto 11% abaixo AM 1,5 (iluminação 1000 solar-2 de W m). Contudo, um problema grave com estes DSSCs é a evaporação e o escapamento possível do eletrólito líquido da pilha. Isto limita a estabilidade destas pilhas e igualmente levanta um problema grave na escamação acima da tecnologia de DSSC para aplicações práticas.

O uso do p-tipo semicondutores como furo-colectores de circuito integrado em DSSCs tem sido propor Recentemente.5 Contudo, devido à escassez dos colectores apropriados do furo que têm faixa-Gap apropriado e posições da faixa, não muito progresso foi feito ainda (SS) em DSSCs de circuito integrado. A Maioria do trabalho executado até agora neste campo envolveram6,7 o uso de CuSCN ou de CuI como furo-colectores. Embora CuSCN e CuI possuam uma diferença de faixa apropriada e as posições da faixa, faltam a estabilidade e tendem a degradar em um curto período de tempo.

Em termos da estabilidade, os semicondutores inorgánicos do óxido são bons candidatos Contudo, foram utilizados raramente como furo-colectores em SS-DSSC até agora na maior parte devido à escassez do p-tipo semicondutores do óxido e as dificuldades da fabricação de um semicondutor do óxido mergulham em TiO revestido tintura2. Os NIO e CuAlO2 estão entre muito poucos óxidos8,9 que foram mostrados para possuir faixa-Gap apropriado e a faixa-posição para a aplicação em SS DSSC. Embora o NIO e o CuAlO2 basearam SS-DSSC mostrou a estabilidade bastante alta, a eficiência das pilhas era ainda muito baixo.

O mau desempenho destas células solares foi atribuído ao: (i) uma mais baixa condutibilidade intrínseca e mobilidade de furo do NIO e o CuAlO2, e (ii) umas dimensão das partículas mais grandes do NIO e do CuAlO2 compararam àquela dos poros2 de TiO, impedindo a penetração do colector do furo no filme mesoporous tingido inteiro2 de TiO, que conduz ao contacto fraco entre o colector do furo e a tintura. Apesar da eficiência de conversão mais baixa, estes SS DSSCs eram muito estáveis.8,9 Se a eficiência de SS DSSCs pode ser feita comparável eletrólito líquido a DSSCs baseado, a seguir terão definida o impacto significativo na tecnologia da célula solar.

A fim ser útil em DSSCs, o p-tipo em perspectiva semicondutor (furo-colector) e a tintura é exigido para ter seguintes propriedades especiais: (i) O p-tipo material deve ser transparente durante todo o espectro visível, onde a tintura absorve a luz, (ii) Um método deve estar disponível para depositar o p-tipo material sem dissolver-se ou degradando o monolayer da tintura em nanocrystallites2 de TiO, (iii) A tintura deve ser tal que seu nível entusiasmado está ficado situado acima da parte inferior da faixa de condução de TiO2 e do rés-do-chão abaixo da borda superior da faixa do valence do p-tipo material.

Nós temos mostrado Muito recentemente esse CuBO2, um p-tipo novo óxido descoberto por nosso grupo, 10 cumprimos a maioria de exigências acima. É transparente sobre uma escala espectral larga com um bandgap indirecto do eV 2,6 e um bandgap directo do eV 4,5. Exibe a mobilidade alta da condutibilidade e de furo comparada a todo p-tipo conhecido restante óxidos. Por exemplo a condutibilidade elétrica da temperatura ambiente do CuBO policristalino2 film10 era 1,65 S-Cm-1, aproximadamente 65% mais alto do que o valor correspondente (~1 S-Cm-1) relatado por Kawazoe e outros11 para CuAlO2 (veja Fig. 2).

Figura 2. condutibilidade Elétrica de CuBO2. Inserir mostra a potência Termoelétrico do material.

O coeficiente de Salão e as medidas de potência termoelétricos mostraram o CuBO2 para ser do p-tipo com densidade de portador do pedido de 1017 cm-3. A mobilidade de Salão calculada da condutibilidade elétrica e das medidas de Salão era ~100 cm2 V-1 s-1, aproximadamente 10 vezes mais altamente do que o valor correspondente (~10 cm2 V-1 s-1) relatado por Kawazoe e outros11 para CuAlO2. A condutibilidade elétrica e a mobilidade de furo Altas de CuBO2 sugerem que poderia ser um candidato muito bom para a aplicação do colector do furo em DSSCs de circuito integrado.


Referências

1. Schipper, L.; Meyer, S.; Howarth, R.; Steiner, R., Uso Eficaz da Energia e Actividade Humana: Após Tendências, Perspectivas Futuras (Imprensa da Universidade de Cambridge, Cambridge, 1997).
2. O'Regan, B.; Grätzel, M., baixo custo de A, célula solar baseada nos filmes TiO2 coloidais sensibilizados tintura, Natureza 1991 da eficiência elevada, 353, 737-739.
3. Grätzel, M., de “pilhas Photoelectrochemical”, Natureza 2001, 414, 338-344.
4. Tiwari, A.; Snure, M., “Síntese e Caracterização de ZnO Nano-Planta-Como Jornal dos Eléctrodos” de Nanoscience e de Nanotecnologia 2008, 8, 3981-3987.
5. Li, B.; Wang, L.D.; Kang, B.N.; Wang, P., Qiu, Y., “Revisão do progresso recente em células solares tintura-sensibilizadas de circuito integrado. Materiais da Energia Solar e Células Solares” 2006, 90, 549-573.
6. O'Regan, B.; Lenzmann, F.; Muis R.; Wienke, J., “Uma célula solar tintura-sensibilizada de circuito integrado fabricada com P25-TiO2 tratado à pressão e CuSCN: Análise do enchimento e de IV do poro características”, Química dos Materiais 2002, 14, 5023-5029.
7. Sirimanne, P.M.; Jeranko, T.; Bogdanoff, P.; Fiechter, S.; Tributsch, H., “Na fotodegradação de pilhas de circuito integrado sensibilizadas tintura de CuI de TiO2/tintura”, de Ciência do Semicondutor e de Tecnologia 2003, 18, 708-712.
8. Bandara, J.; Weerasinghe, H., “célula solar tintura-sensibilizada De circuito integrado com p-tipo NIO como um colector do furo”, Materiais da Energia Solar e Células Solares 2005, 85, 385-390.
9. Bandara J.; Yasomanee, J.P., “p-tipo semicondutores do óxido como colectores do furo em células solares de circuito integrado tintura-sensibilizadas”, Ciência do Semicondutor e Tecnologia 2007, 22, 20-24.
10. Snure, M.; Tiwari, A., de “p-tipo óxido transparente CuBO2-A”, Física Aplicada Rotula 2007, 91, 092123 1-3.
11. Kawazoe, A.H.; Yasukawa, M.; Hyodo, H.; Kurita, M.; Yanagi, H.; Hosono, H., “P-Tipo condução elétrica em filmes finos transparentes de CuAlO2”, Natureza 1997, 389, 939-942.

Copyright AZoNano.com, Professor Ashutosh Tiwari (Universidade de Utah)

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

Last Update: 14. June 2013 01:48

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