最近趋势在使染料敏感的太阳能电池技术

由 Ashutosh Tiwari 教授

Ashutosh Tiwari 教授, Nanostructured 材料材料学的研究实验室部门和工程犹他大学
对应的作者: tiwari@eng.utah.edu

现代文明的基础在电能丰富的用品位于。 对于前二个世纪,大多我们的电需要由矿物燃料来源满足了例如采煤、天然气和石油。 然而,全球电力需求不断地增加。 在能源需求的持续增量迫使我们的社团搜索环境干净,能承受和可延续的能源。1

几备选能源例如风、太阳,水力发电和生物量近几十年来测试。 在所有这些非常规的能源中,太阳能涌现了作为最实用的替代对常规矿物燃料基于能源。 然而,由于一定数量的物质挑战,甚而与不断地增长的兴趣在太阳能上,仍然不能与常规常规能源来源充分地竞争。 例如,常规硅基于太阳能电池要求高纯度无瑕疵的硅。 生产这样高纯度硅的费用非常高。 由于高物质费用和低能源换能效率,这些细胞导致的功率的费用比常规来源生产的那是几个时间更多。

近年来,使染料敏感的太阳能电池2,3 (DSSCs)受到了严重的注意作为有效替代对常规太阳能电池。 DSSCs 起作用在众多方面类似于光合作用,进程绿色植物生成从阳光的化学能的一个进程。 对这些细胞的中央是为提供大表面收获有机染料分子的光吸附的一部厚实的半导体纳米颗粒影片 (电极)。 染料分子在这个电磁波频谱的可视区域吸收光 “然后请注射”电子到 nanostructured 半导体电极。 此进程由一个电荷转移随附于到这种染料从电解质供应的给电子体转接方,重新设置这个循环。

由于低生产成本, DSSCs 有潜在改革太阳能电池行业。 然而,最公用的 DSSC 系统在调查之中在包括被焊接的半导体的 nanoparticles 的电极基础上近来 (主要 TiO2 或 ZnO)。 这些基于纳米颗粒的 DSSCs 依靠陷井有限扩散通过电子运输的半导体 nanoparticles。

这是限制设备效率,特别是在更长的一个缓慢的传输机制 (较不精力充沛的) 波长,因为再结合活动变得更加可能。 而且焊接 nanoparticles 要求制约生产这些仅细胞在 nonflexible 固定的基体的高温 (~450°C)。 我们的组非常最近向显示在 DSSC 效率的显著地增加可以取得,如果被焊接的纳米颗粒电极被拥有异乎寻常的 ‘象 nanoplant 的’形态学的一个特殊地被设计的电极替换 (参见 fig.1)。

图 1. 简图 ZnO nanoplant 根据被开发的 DSSC。

Ashutosh Tiwari 和他的小组教授 Nanostructured 材料研究实验室的显示出,直接电子路,假设由被互联的 nanoplants,保证承运人的迅速收藏被生成在设备中,极大提高这个系统的换能效率。 上面 DSSC 的用于半导体的 ZnO nanoplants 增长使用低温 (<150°C) 我们的组发明的技术。4 由于我们的处理技术的低温本质,这些结构在聚合物基体可以增长由在这个过程参数的轻微的修改。 ZnO nanoplant 根据聚合物基体可以为制造灵活的太阳能电池使用。

DSSCs 根据液体电解质到达了效率高达 11% 下上午 1.5 (1000 W m)-2 太阳照明。 然而,这些的一个重大问题 DSSCs 是液体电解质的蒸发和可能的损失从这个细胞的。 这限制这些细胞的稳定性并且提出在按比例提高的一个严重的问题实际应用的 DSSC 技术。

最近使用作为固体漏洞收集器的 p 型的半导体在 DSSCs 建议。5 然而,由于有适当的漏洞的收集器缺乏适当的范围空白和范围位置,并非进展在固体 (SS) DSSCs 取得了。 在此域进行的到目前为止大多数这个工作介入6,7 使用 CuSCN 或 CuI 作为漏洞收集器。 虽然 CuSCN 和 CuI 拥有适当的带隙和范围位置,缺乏稳定性并且倾向于在短时间内降低。

然而根据稳定性,无机氧化物半导体是好候选人,他们迄今很少被利用作为在 SS-DSSC 的漏洞收集器主要由于 p 型的氧化物半导体缺乏,并且生产困难氧化物半导体在染料被涂上的 TiO 分层堆积2。 NiO 和 CuAlO2 是 在8,9 SS DSSC 显示拥有适当的范围空白和范围位置的应用的非常少量氧化物中。 虽然 NiO 和 CuAlO2 根据 SS-DSSC 显示了相当高稳定性,细胞的效率仍然是非常低的。

这些太阳能电池低劣的性能归因于: (i) NiO 的更低的固有导电性和空穴迁移率和 CuAlO2 和 (ii) NiO 和 CuAlO 更大的微粒大小2 与那 TiO 毛孔2 比较了,妨害漏洞收集器的渗透到整个被洗染的 mesoporous TiO2 影片里,导致在这种漏洞收集器和染料之间的弱的联络。 尽管更低的换能效率,这些 SS DSSCs 是非常稳定的。8,9 如果 SS DSSCs 效率可以使可比较与液体电解质基于 DSSCs,则他们明确地将有对太阳能电池技术的重大影向。

为了是有用的在 DSSCs,要求这个预期 p 型的半导体 (漏洞收集器) 和这种染料有下列特殊属性: (i) p 型的材料一定是透明在可见光谱中,这种染料吸收光, (ii) 方法一定取得到为存款 p 型的材料,无需溶化或降低染料单层在 TiO2 nanocrystallites 的, (iii) 这种染料必须是这样其受激电平在 TiO 传导带的底层和2 在 p 型的材料的化学价范围的上面的边缘的下底层上位于。

我们非常最近显示了该 CuBO2,我们的组发现的一种新的 p 型的氧化物,10 执行大多上述需求。 它是透明在与 2.6 eV 一间接 bandgap 和 4.5 eV 一直接 bandgap 的一个宽光谱范围。 它陈列高传导性和空穴迁移率与其他已知的 p 型的氧化物比较。 例如多晶的 CuBO film10 的室温电导率2 高于 CuAlO 的 Kawazoe (~1 S Cm) 是 1.65 S Cm,大约-1 65% 报告的这个对应的11 值等2 (参见图 2)。

图 2. 电导率 CuBO2。 插页显示材料的热电功率。

霍尔系数和热电功率测量显示 CuBO2 是 p 型与等级的载流子密度 1017 cm-3。 从电导率和霍尔评定估计的霍尔流动性高于 Kawazoe2 (-1 ~10-1 cm V s) 是 ~100 cm V s,大约 102-1 -1报告的这个对应的值等11 的 CuAlO2。 CuBO 的高电导率和空穴迁移率2 建议它可能是漏洞收集器应用的一名非常好候选人在固体 DSSCs。


参考

1. Schipper, L.; 迈尔, S.; Howarth, R.; Steiner、 R.、节能和人类活动: 通过趋势,未来远景 (剑桥大学出版社,剑桥, 1997)。
2. O'Regan, B.; Grätzel, M., A 低成本,在染料使敏感的胶质 TiO2 影片基础上的高效率太阳能电池,本质 1991年, 353, 737-739。
3. Grätzel, M., “Photoelectrochemical 细胞”,本质 2001年, 414, 338-344。
4. Tiwari, A.; Snure、 M.、 “ZnO Nanoscience 和纳米技术 2008年, 8, 3981-3987 象纳诺工厂的电极的综合和描述特性”日记帐。
5. 李, B.; Wang, L.D.; Kang, B.N.; Wang, P., Qiu, Y., “最近进展回顾在固体使染料敏感的太阳能电池的。 太阳能材料和太阳能电池” 2006年, 90, 549-573。
6. O'Regan, B.; Lenzmann, F.; Muis R.; Wienke、 J.、 “固体使染料敏感的太阳能电池制造与压对待的 P25-TiO2 和 CuSCN : 分析对毛孔装填和 IV 特性”,材料化学 2002年, 14, 5023-5029。
7. Sirimanne, P.M.; Jeranko, T.; Bogdanoff, P.; Fiechter, S.; Tributsch, H., “在染料使敏感的固体 TiO2/染料 CuI 细胞”,半导体科学技术 2003年, 18, 708-712 的光降解。
8. Bandara, J.; Weerasinghe、 H.、 “固体使染料敏感的太阳能电池与 p 型的 NiO 作为漏洞收集器”,太阳能材料和太阳能电池 2005年, 85, 385-390。
9. Bandara J.; Yasomanee、 J.P., “p 型的氧化物半导体作为在使染料敏感的固体太阳能电池的漏洞收集器”,半导体科学技术 2007年, 22, 20-24。
10. Snure, M.; Tiwari, A., “CuBO2-A p 型的透明氧化物”,应用物理学在 2007年, 91, 092123 1-3 上写字。
11. Kawazoe, A.H.; Yasukawa, M.; Hyodo, H.; Kurita, M.; Yanagi, H.; Hosono, H., “在 CuAlO2 透明薄膜的 P 型的电导”,本质 1997年, 389, 939-942。

版权 AZoNano.com, Ashutosh Tiwari (犹他大学教授)

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

Last Update: 14. June 2013 01:08

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