最近趨勢在使染料敏感的太陽能電池技術

由 Ashutosh Tiwari 教授

Ashutosh Tiwari 教授, Nanostructured 材料材料學的研究實驗室部門和工程猶他大學
對應的作者: tiwari@eng.utah.edu

現代文明的基礎在電能豐富的用品位於。 對於前二個世紀,大多我們的電需要由礦物燃料來源滿足了例如採煤、天然氣和石油。 然而,全球電力需求不斷地增加。 在能源需求的持續增量迫使我們的社團搜索環境乾淨,能承受和可延續的能源。1

幾備選能源例如風、太陽,水力發電和生物量近幾十年來測試。 在所有這些非常規的能源中,太陽能湧現了作為最實用的替代對常規礦物燃料基於能源。 然而,由於一定數量的物質挑戰,甚而與不斷地增長的興趣在太陽能上,仍然不能與常規常規能源來源充分地競爭。 例如,常規硅基於太陽能電池要求高純度無瑕疵的硅。 生產這樣高純度硅的費用非常高。 由於高物質費用和低能源換能效率,這些細胞導致的功率的費用比常規來源生產的那是幾個時間更多。

近年來,使染料敏感的太陽能電池2,3 (DSSCs)受到了嚴重的注意作為有效替代對常規太陽能電池。 DSSCs 起作用在眾多方面類似於光合作用,進程綠色植物生成從陽光的化學能的一個進程。 對這些細胞的中央是為提供大表面收穫有機染料分子的光吸附的一部厚實的半導體納米顆粒影片 (電極)。 染料分子在這個電磁波頻譜的可視區域吸收光 「然後请注射」電子到 nanostructured 半導體電極。 此進程由一個電荷轉移隨附於到這種染料從電解質供應的給電子體轉接方,重新設置這個循環。

由於低生產成本, DSSCs 有潛在改革太陽能電池行業。 然而,最公用的 DSSC 系統在调查之中在包括被銲接的半導體的 nanoparticles 的電極基礎上近來 (主要 TiO2 或 ZnO)。 這些基於納米顆粒的 DSSCs 依靠陷井有限擴散通過電子運輸的半導體 nanoparticles。

這是限制設備效率,特別是在更長的一個緩慢的傳輸機制 (較不精力充沛的) 波長,因為再結合活動變得更加可能。 而且銲接 nanoparticles 要求制約生產這些仅細胞在 nonflexible 固定的基體的高溫 (~450°C)。 我們的組非常最近向顯示在 DSSC 效率的顯著地增加可以取得,如果被銲接的納米顆粒電極被擁有異乎尋常的 『像 nanoplant 的』形態學的一個特殊地被設計的電極替換 (參見 fig.1)。

圖 1. 簡圖 ZnO nanoplant 根據被開發的 DSSC。

Ashutosh Tiwari 和他的小組教授 Nanostructured 材料研究實驗室的顯示出,直接電子路,假設由被互聯的 nanoplants,保證承運人的迅速收藏被生成在設備中,極大提高這個系統的換能效率。 上面 DSSC 的用於半導體的 ZnO nanoplants 增長使用低溫 (<150°C) 我們的組發明的技術。4 由於我們的處理技術的低溫本質,這些結構在聚合物基體可以增長由在這個過程參數的輕微的修改。 ZnO nanoplant 根據聚合物基體可以為製造靈活的太陽能電池使用。

DSSCs 根據液體電解質到達了效率高達 11% 下上午 1.5 (1000 W m)-2 太陽照明。 然而,這些的一個重大問題 DSSCs 是液體電解質的蒸發和可能的損失從這個細胞的。 這限制這些細胞的穩定性並且提出在按比例提高的一個嚴重的問題實際應用的 DSSC 技術。

最近使用作為固體漏洞收集器的 p 型的半導體在 DSSCs 建議。5 然而,由於有適當的漏洞的收集器缺乏適當的範圍空白和範圍位置,並非進展在固體 (SS) DSSCs 取得了。 在此域進行的到目前為止大多數這個工作介入6,7 使用 CuSCN 或 CuI 作為漏洞收集器。 雖然 CuSCN 和 CuI 擁有適當的帶隙和範圍位置,缺乏穩定性并且傾向於在短時間內降低。

然而根據穩定性,無機氧化物半導體是好候選人,他們迄今很少被利用作為在 SS-DSSC 的漏洞收集器主要由於 p 型的氧化物半導體缺乏,并且生產困難氧化物半導體在染料被塗上的 TiO 分層堆積2。 NiO 和 CuAlO2 是 在8,9 SS DSSC 顯示擁有適當的範圍空白和範圍位置的應用的非常少量氧化物中。 雖然 NiO 和 CuAlO2 根據 SS-DSSC 顯示了相當高穩定性,細胞的效率仍然是非常低的。

這些太陽能電池低劣的性能歸因於: (i) NiO 的更低的固有導電性和空穴遷移率和 CuAlO2 和 (ii) NiO 和 CuAlO 更大的微粒大小2 與那 TiO 毛孔2 比較了,妨害漏洞收集器的滲透到整個被洗染的 mesoporous TiO2 影片裡,導致在這種漏洞收集器和染料之間的弱的聯絡。 儘管更低的換能效率,這些 SS DSSCs 是非常穩定的。8,9 如果 SS DSSCs 效率可以使可比較與液體電解質基於 DSSCs,則他們明確地將有對太陽能電池技術的重大影向。

為了是有用的在 DSSCs,要求這個預期 p 型的半導體 (漏洞收集器) 和這種染料有下列特殊屬性: (i) p 型的材料一定是透明在可見光譜中,這種染料吸收光, (ii) 方法一定取得到為存款 p 型的材料,无需溶化或降低染料單層在 TiO2 nanocrystallites 的, (iii) 這種染料必須是這樣其受激電平在 TiO 傳導帶的底層和2 在 p 型的材料的化學價範圍的上面的邊緣的下底層上位於。

我們非常最近顯示了該 CuBO2,我們的組發現的一種新的 p 型的氧化物,10 執行大多上述需求。 它是透明在與 2.6 eV 一間接 bandgap 和 4.5 eV 一直接 bandgap 的一個寬光譜範圍。 它陳列高傳導性和空穴遷移率與其他已知的 p 型的氧化物比較。 例如多晶的 CuBO film10 的室溫電導率2 高於 CuAlO 的 Kawazoe (~1 S Cm) 是 1.65 S Cm,大約-1 65% 報告的這個對應的11 值等2 (參見圖 2)。

圖 2. 電導率 CuBO2。 插頁顯示材料的熱電功率。

霍爾系數和熱電功率測量顯示 CuBO2 是 p 型與等級的載流子密度 1017 cm-3。 從電導率和霍爾評定估計的霍爾流動性高於 Kawazoe2 (-1 ~10-1 cm V s) 是 ~100 cm V s,大約 102-1 -1報告的這個對應的值等11 的 CuAlO2。 CuBO 的高電導率和空穴遷移率2 建議它可能是漏洞收集器應用的一名非常好候選人在固體 DSSCs。


參考

1. Schipper, L.; 邁爾, S.; Howarth, R.; Steiner、 R.、節能和人類活動: 通過趨勢,未來遠景 (劍橋大學出版社,劍橋, 1997)。
2. O'Regan, B.; Grätzel, M., A 低成本,在染料使敏感的膠質 TiO2 影片基礎上的高效率太陽能電池,本質 1991年, 353, 737-739。
3. Grätzel, M., 「Photoelectrochemical 細胞」,本質 2001年, 414, 338-344。
4. Tiwari, A.; Snure、 M.、 「ZnO Nanoscience 和納米技術 2008年, 8, 3981-3987 像納諾工廠的電極的綜合和描述特性」日記帳。
5. 李, B.; Wang, L.D.; Kang, B.N.; Wang, P., Qiu, Y., 「最近進展回顧在固體使染料敏感的太陽能電池的。 太陽能材料和太陽能電池」 2006年, 90, 549-573。
6. O'Regan, B.; Lenzmann, F.; Muis R.; Wienke、 J.、 「固體使染料敏感的太陽能電池製造與壓對待的 P25-TiO2 和 CuSCN : 分析對毛孔裝填和 IV 特性」,材料化學 2002年, 14, 5023-5029。
7. Sirimanne, P.M.; Jeranko, T.; Bogdanoff, P.; Fiechter, S.; Tributsch, H., 「在染料使敏感的固體 TiO2/染料 CuI 細胞」,半導體科學技術 2003年, 18, 708-712 的光降解。
8. Bandara, J.; Weerasinghe、 H.、 「固體使染料敏感的太陽能電池與 p 型的 NiO 作為漏洞收集器」,太陽能材料和太陽能電池 2005年, 85, 385-390。
9. Bandara J.; Yasomanee、 J.P., 「p 型的氧化物半導體作為在使染料敏感的固體太陽能電池的漏洞收集器」,半導體科學技術 2007年, 22, 20-24。
10. Snure, M.; Tiwari, A., 「CuBO2-A p 型的透明氧化物」,應用物理學在 2007年, 91, 092123 1-3 上寫字。
11. Kawazoe, A.H.; Yasukawa, M.; Hyodo, H.; Kurita, M.; Yanagi, H.; Hosono, H., 「在 CuAlO2 透明薄膜的 P 型的電導」,本質 1997年, 389, 939-942。

版權 AZoNano.com, Ashutosh Tiwari (猶他大學教授)

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

Last Update: 14. June 2013 01:12

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