نظرة عامة على الخلايا الشمسية الحساسة للصبغ
تم تقديم الخلايا الشمسية الحساسة للصبغ (DSC) من حيث المواد والتصنيع منخفض التكلفة بواسطة مايكل جراتزل في عام 1991.
O'regan، B.، Gratzel، M.، خلية شمسية منخفضة التكلفة وعالية الكفاءة تعتمد على أفلام TiO2 الغروية الحساسة للصبغ ، طبيعة، المجلد 353، 737-740، (1991)
يتم استخدام TiO2 كمادة رخيصة الثمن كموصل للإلكترون في الخلية. يتم تحضير طبقة TiO2 من المحلول الغروي ولجعل التوصيل الكهربائي متكلس لفترة وجيزة عند درجة حرارة 450 درجة مئوية. تبلغ سماكة الطبقة 10 ميكرومتر وحجم الجسيمات 15 نانومتر مما يمنح الخلية مساحة سطح أكبر وعامل خشونة أعلى. هذا الحجم المتوسط يجعل الخلية تمتص المزيد من الصبغة وتحصد المزيد من الضوء. الصبغة المطبقة عبارة عن مركب روثينيوم ثلاثي يمتص الفوتون. بداية الامتصاص حوالي 750 نانومتر. موصل الثقب لإكمال الدائرة هو إلكتروليت الأكسدة والاختزال يوديد/ثلاثي يوديد Li + .
الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة النانوية ذات الأداء الأقصى ، التقدم في الخلايا الكهروضوئية، المجلد 15، 1-18، (2007)
في هذه المساهمة يتم النظر في تطوير DSC في مسائل الكفاءة والاستقرار. بعض عيوب كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC): 1- امتصاص الضوء غير الفعال للصبغة 2- إعادة تركيب السطح 3- عامل التعبئة المحدود (FF) بسبب فقدان المقاومة المتسلسلة، وإعادة تركيب شدة الضوء،....
تطوير المفهوم تم النظر في ثلاثة تصميمات مختلفة. واحد قياسي مع الصبغة على مساحة سطح عالية nc-TiO2، سطح مرتفع شفاف TiO2 مع تشتت خلفي خفيف، تصميم أقل من التكلفة الإجمالية للملكية والذي يستخدم بالنسبة للقطب الثانوي طبقة معدنية مسامية.
المواد يتم تحضير Nano Crystalline TiO2 من المحاليل الغروية التي تتبع إجراءات هلام سول الحراري عن طريق المستحضر الحمضي أو الأساسي. تُظهر إحدى التجارب أن عملية التبيبت الأساسية تؤدي إلى ارتفاع جهد الدائرة المفتوحة للجهاز. انظر التحامض الحمضي مقابل القاعدة لأفلام TiO2 النانوية البلورية . يتم استخدام TiO2 محلي الصنع أو P25 (Degussa).
طبقات التشتت لتعزيز امتصاص الضوء يتم استخدام طبقات ذات أحجام جسيمية تتراوح بين 100-400 نانومتر مثل ZrO2، وأطوار مختلفة من TiO2. من خلال تطبيق الطبقة المبعثرة، يتم زيادة التيار الضوئي بحوالي 10%.
الطلاءات المطابقة للأقطاب البلورية النانوية Palomares، E.، Clifford، J.، Haque، S.، Lutz، T.، Durrant، J. Control of Charge Recombination Dynamics in Dye Sensitized Solar Cells عن طريق استخدام طبقات حجب أكسيد المعدن المترسب بشكل مطابق أمريكي الجمعية الكيميائية، المجلد 125، 475-482، (2003)
مواد اخرى
تمت دراسة أكاسيد أخرى ولكن حتى الآن يُظهر TiO2 أفضل استجابة. تم أيضًا اعتبار SnO2 لأنه ينقل الشحن بشكل أسرع، ولكن طاقة نطاق التوصيل الخاصة به أكثر إيجابية بمقدار 0.4 فولت من TiO2.
البنية المجهرية لـ TiO 2 والتصنيع في DSCs
في هذا الجزء يتم مراجعة البنية المجهرية المختلفة وتوصيف TiO2 التي تم العمل عليها حتى الآن بتسلسل زمني.
Almeida، P.، Deelen، J.، Catry، C.، Sneyers، H.، Pataki، T.، Andriessen، R.، Roost، c.، Kroon، JM Microstructure توصيف التشتيت النانوي لثاني أكسيد التيتانيوم والأغشية الرقيقة للصبغ- أجهزة الخلايا الشمسية الحساسة الفيزياء التطبيقية، المجلد 79، 1819-1828، (2004)
تم تصنيع مشتتات TiO2 النانوية عن طريق تكليس منتج التحلل المائي المجفف لأيزوبرووكسيد التيتانيوم وتم تشكيل الأغشية باستخدام تقنية Doctorblade متبوعة بالتلبيد بالحرارة أو الضغط. اعتمادًا على عملية تشكيل الفيلم، يتم قياس الاستجابات الكهربائية المختلفة. تُظهر خصائص IV أداءً أفضل لأفلام TiO2 الملبدة بالحرارة. وذلك لأن أغشية TiO2 الملبدة بالحرارة لها بنية متجانسة كما تشير نتائج SEM. من ناحية أخرى، تحتوي الأفلام الملبدة بالضغط على بنية غير متجانسة مع شوائب قد تكون مسؤولة عن ضعف الأداء الكهربائي. ومن الممكن أيضًا ربط هذه الشوائب بوجود مركبات متطايرة تبقى في الأغشية الملبدة بالضغط.
Kiema, GK, Colgan,MJ, Brett, MJ Dye الخلايا الشمسية الحساسة التي تتضمن طبقات أكسيد التيتانيوم المترسب بشكل غير مباشر ، مواد الطاقة الشمسية والخلايا الشمسية، المجلد 85، 321-331، (2005)
إن البنية المسامية العشوائية لـ TiO2 التي تنتجها طرق sol-gel لها بعض العيوب مثل الموصلية المنخفضة وإعادة التركيب الإلكتروني المعزز. ترجع هذه المشكلات كلها إلى البنية الدقيقة العشوائية والتوجه المختلف لجزيئات النانو. الهدف من هذا العمل هو إنتاج أفلام مسامية ذات ترتيب اتجاهي من أجل الحصول على مساحة سطح أكبر مع موصلية أفضل للإلكترونات. في هذه الدراسة، تم ترسيب أفلام TiO2 المسامية بواسطة تبخر شعاع الإلكترون المائل في زوايا مختلفة يليها التلدين لمدة 3 ساعات في الهواء عند درجة حرارة 500 درجة مئوية. وعندما تزيد زاوية الترسيب، تصبح الأعمدة منفصلة على نطاق أوسع مما يؤدي إلى مساحات سطحية أعلى (60-75) س ج). في الزوايا العالية جداً مثل 85 درجة مئوية تصبح الأعمدة معزولة فتقل مساحة السطح مع انخفاض كثافة عدد الأعمدة بسبب زيادة المسافة بين الأعمدة. أظهرت النتائج أنه بالنسبة لزوايا الترسيب (60-75 درجة مئوية)، فإن تيار الدائرة القصيرة أعلى من الخلايا الشمسية المعتمدة على السول جل. ويعزى ذلك إلى طبيعتها العمودية نظرًا لأن هذا الهيكل والمسام المتصلة توفر إمكانية وصول أكبر لسطح الفيلم بأكمله إلى المنحل بالكهرباء وتخلق مسارًا أكثر مباشرة للإلكترونات المحقونة. هذا التمرير الموجه يجعل وقت عبور الإلكترون أسرع وبالتالي يقلل من فرص إعادة التركيب الإلكتروني الخلفي. من ناحية أخرى أظهرت النتيجة انخفاض عامل التعبئة للخلايا ذات الترسيب غير المباشر. قد يكون هذا بسبب المقاومة الداخلية العالية للأفلام.
M.Zukalová، A.Zukal، L.Kavan، MKNazeeruddin، P.Liska، M.Grätzel نظمت أفلام TiO2 Mesoporous التي تعرض أداءً محسنًا بشكل كبير في الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة بأحرف النانو، المجلد 5، 1789-1792، (2005)
في هذا العمل يتم تصنيع ثاني أكسيد التيتانيوم المسامي السميك من أجل تحقيق كفاءة أعلى عن طريق زيادة عامل الخشونة (زيادة حصاد الضوء). إجراءات صنع أفلام TiO2 المنظمة هي كما يلي. تم تحضير محلول HCL وأيتوكسيد التيتانيوم تحت التحريك القوي (المحلول 1). تم إذابة محلول من كتلة البوليمر المشترك Pluronic في 1-بيوتانول وإضافته إلى المحلول 1. تم تحضير الأفلام عن طريق طلاء الغمس متبوعًا بالتعمير والكالسيناتين (تم وصف الإجراء الدقيق في المقالة). بالنسبة للأفلام السميكة المكونة من طبقتين أو ثلاث طبقات، يتم تكرار نفس الإجراء مرة أو مرتين. تحتوي أفلام TiO2 المكونة من 3 طبقات على أكبر RF. لم يتغير الهيكل المسامي كثيرًا أثناء عملية الطلاء بالغمس. تم إجراء اختبار الخلايا الشمسية على 3 طبقات وعلى غشاء TiO2 غير منظم ومسامي وبنفس الظروف (نوع الصبغة، المنحل بالكهرباء،..). كانت كفاءة تحويل الطاقة الشمسية لكالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC) مع غشاء متوسط المسام منظم (بسمك 1 ميكرومتر) أكبر بحوالي 50% من كفاءة فيلم بسمك 1 ميكرومتر يتكون من جسيمات نانوية عشوائية، ويرجع الفضل في ذلك كله إلى مساحة السطح الكبيرة الضخمة.
A. Agrios, I. Cesar, P. Comte, MK Nazeeruddin, M. Grätzel أفلام مركبة ذات بنية نانوية للخلايا الشمسية الحساسة للصبغ بواسطة كيمياء ترسيب المواد الكهروستاتيكية طبقة بطبقة، المجلد 18، 5395-5397، (2006)
في هذا المقال يتم دراسة بعض احتمالات تصنيع طبقات رقيقة من مركبات النانو للخلايا الشمسية الحساسة للصبغة بطريقة الطبقة المرنة (ELBL). تم استخدام أفلام TiO2 المصنوعة بهذه الطريقة من أجل DSC لأول مرة بواسطة He et al. على سبيل المثال، يمكن تصنيع أفلام جسيمات النانو TiO2 عن طريق غمس شريحة زجاجية في محلول بوليمر كاتيوني ثم في محلول TiO2 أنيوني أو العكس، بوليمر أنيوني، TiO2 كاتيوني ويستمر الأمر حتى الوصول إلى السمك المطلوب. تتم موازنة شحنة TiO2 بواسطة الرقم الهيدروجيني. هو وآخرون. أظهرت النتائج أفضل مع الحل الأول. خلية شمسية حساسة للصبغ تم تصنيعها بواسطة مجموعة إلكتروستاتيكية طبقة تلو طبقة من الجسيمات النانوية TiO2 المذبذبة Langmuir، المجلد 19، 2116-2174، (2003)
تم تصنيع الأفلام بنفس تسلسلات He et al. وتأثيرات طبقات التشتت والمعاملة المختلفة التي تم التحقيق فيها. أظهر الفيلم المصنوع من خلال طلاء 50 دورة بوليمر-TiO2 بسماكة 1.5 ميكرومتر بعد التلبيد أداءً جيدًا للغاية. فيلم آخر (4 ميكرومتر) ملفق بطبقة 50 دورة من جزيئات 250-400 نانومتر فوق الفيلم الأخير. أظهرت الخلية الشمسية المصنوعة منها، بالمقارنة مع الخلية الأولى، ضعف التيار بينما تحتوي على V OC و FF مماثلين.
S. Ito، TN Murakami1، P. Comte1، P. Liska1، C. Grätzel1، MK Nazeeruddin1، M. Grätzel تصنيع الخلايا الشمسية الحساسة لصبغ الأغشية الرقيقة مع كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية تزيد عن 10٪ من الأغشية الصلبة الرقيقة، المجلد 516، 4613-4619، (2008)
في هذا البحث تم تطبيق بعض الطرق الجديدة لتصنيع أفلام TiO2 في DSCs لتحقيق كفاءة أعلى. تتضمن هذه الطرق المعالجة المسبقة للقطب الكهروضوئي العامل بواسطة TiCl4، وطباعة الشاشة لطبقات TiO2 (النانو والبلورية دون الميكرون)، والتباين في سمك TiO2 البلوري النانوي الشفاف، باستخدام طبقة تشتت الضوء وتطبيق فيلم مضاد للانعكاس إلى السطح. وباستخدام هذه الطبقات يتم تحسين كفاءة تحويل الفوتون الساقط إلى كهرباء. يتوفر إجراء تفصيلي لتصنيع هذه الخلايا في المقالة. يزيد التلوث السطحي مثل أكاسيد الحديد من إعادة التركيب الإلكتروني الخلفي. من أجل منع ذلك، في التجربة كانت جميع المعدات اللازمة لتحضير TiO2 من البلاستيك أو الزجاج. معالجة TiCl4 تستخدم لإزالة تلوث الحديد قبل وبعد طباعة الشاشة لأفلام TiO2 المسامية. المزايا الأخرى لهذه المعالجة هي 1- على الركيزة FTO: تحسين الترابط بين الركيزة FTO وطبقة TiO2، منع إعادة التركيب الإلكتروني. 2- المعالجة الثانية: زيادة عامل خشونة السطح وعنق جزيئات TiO2. وفي النهاية السادسة تظهر النتائج أن هذا العلاج يقمع التيار المظلم. لا تقتصر مزايا طبقة تشتت الضوء على صائدة الفوتون فحسب، بل إنها أيضًا مشتركة في توليد الطاقة الكهروضوئية.
D. Kuang، J. Brillet†، P. Chen†، M. Takata§، S. Uchida، H. Miura، K. Sumiokas، SM Zakeeruddin، M. Gratzel تطبيق مصفوفات الأنابيب النانوية TiO2 عالية الطلب في الطاقة الشمسية المرنة الحساسة للصبغة الخلايا الجمعية الكيميائية الأمريكية، المجلد 2، 1113-1116
تعتمد DSCs في الغالب على فيلم TiO2 النانوي البلوري العشوائي الذي يتم إنتاجه بطريقة sol-gel. لقد كانت هناك العديد من الجهود لتطوير أفلام TiO2 مرتبة أو أحادية البعد من أجل تحسين نقل الإلكترون. في هذه المقالة، طلبت لأول مرة مجموعة من أنابيب TiO2 النانوية المستخدمة كرمز ضوئي للإلكتروليت الأيوني في الخلايا الشمسية الحساسة للصبغ. تم تحضير الأنابيب النانوية عن طريق أكسدة رقائق Ti ثم غمرها في محلول TiCl وشطفها بعد ذلك بالتلبيد عند درجة حرارة 500 درجة مئوية لمدة 3 ساعات.
تعزيز حصاد الضوء في مراكز DSC
كجزء من بنية كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC)، يتم امتصاص المحسس على سطح شبه الموصل ويلعب دور حصاد الضوء. يقوم المحسس المثار بحقن إلكترونه في نطاق التوصيل لأشباه الموصلات. يمرر الإلكترون الدائرة من شبه الموصل إلى جهة الاتصال الخلفية ومن ثم عبر الحمل الخارجي إلى القطب المضاد وهناك بعد ذلك يقلل وسيط الأكسدة والاختزال الذي يقوم بتجديد المحسس المؤكسد وبذلك تكتمل الدائرة. للحصول على كفاءة أعلى في DSCs، من المهم أن يكون لديك فوتون حادث أكبر لكفاءة التحويل الحالي (IPCE). من الناحية المثالية، يجب جمع جميع الفوتونات التي تقل عن طول موجي يبلغ حوالي 920 نانومتر وتحويلها إلى تيار كهربائي. تكمن المشكلة في أن العديد من المحسسات المطبقة لا تغطي أو أن امتصاصها منخفض للطيف المرئي بأكمله خاصة في المنطقة الحمراء. المسألة الأخرى هي الاتجاه بين المحسس وأشباه الموصلات من أجل توفير نقل فعال للإلكترون من الصبغة المثارة إلى نطاق التوصيل لأشباه الموصلات.
JHYum، E.Baranoff، S.Wenger، Md. K. Nazeeruddin and M.Grätzel هندسة البانكروماري للخلايا الشمسية الحساسة للصبغ الطاقة والعلوم البيئية، المجلد 4، 842، (2011)
تعد هذه مراجعة جيدة جدًا ومنظورًا لتحقيق استجابة بانكروماتية في مراكز دعم الأداء.
1- الصبغة المفردة : N3 وN719، اثنان من معقدات Ru(ll) لعبا دوراً رئيسياً في تقدم DSCs. ومن مشاكلهم قلة الامتصاص في المنطقة الحمراء. للتغلب على هذا النقص:
1.1- مجمع Ru(11) البانكروماتيك؛ يتم تصنيع N749 (صبغة سوداء)؛ مركب Ru(11) آخر يتم تنسيق مركزه من الروثينيوم مع رابطة ثلاثية الكربوكسيلتيريبيريدين أحادية البروتون وثلاثة روابط ثيوسيانات. وبالتالي يتم تحقيق حصاد أفضل للمنطقة الحمراء من الطيف المرئي. بالمقارنة مع N719، تمتد استجابته إلى 100 نانومتر في منطقة الأشعة تحت الحمراء. تم تحقيق كفاءة التحويل 0f بنسبة 11.1% باستخدام N749.
1.2- أصباغ عضوية خالية من الروثينيوم. كان هناك الكثير من الأبحاث حول الأصباغ الخالية من المعادن لتحل محل مجمعات رو. لكن النتائج التي تم تحقيقها حتى الآن لم تتغلب على استجابات مجمعات Ru(11) مثل N719.
1.3- أشباه الموصلات. تم توجيه الاهتمام نحو أشباه الموصلات مثل استخدام النقاط الكمومية بدلاً من جزيئات الصبغة. وتشمل مزاياها ما يلي: 1) حصاد الضوء العالي 2) فجوة النطاق القابلة للضبط على نطاق واسع 3) عزم ثنائي القطب جوهري كبير. على سبيل المثال، يتمتع PbS بقدرة واسعة على تجميع الضوء بسبب فجوة نطاقه الصغيرة. لكن الجمع بين زوج الأكسدة والاختزال الأكثر كفاءة والمواد شبه الموصلة ذات فجوة النطاق المنخفضة غير متوافق.
2- الأصباغ المتعددة: إحدى طرق تغطية الطيف المرئي هي الاستفادة من الأصباغ المتعددة، التي يمتص كل منها جزءًا من الطيف بقوة.
2.1- التحسس المشترك مع الأصباغ الممتصة للضوء الأحمر. تفتقر الأصباغ القائمة على الروثينيوم والأصباغ العضوية إلى امتصاص قوي حول المنطقة الحمراء. من خلال الجمع بين المحسس الآخر مع امتصاص أقوى في المنطقة الحمراء، سيتم الحصول على IPCE أكثر كفاءة. ولكن هناك بعض المشاكل مثل العدد المحدود من المواقع على سطح TiO2 التي ترتبط بها جزيئات الصبغة أو التفاعل غير المرغوب فيه للجزيئات والذي ينتهي به الأمر جميعًا إلى مستوى IPCE منخفض. هناك مزيج ناجح من الصبغة السوداء والصبغة العضوية (D131) بكفاءة 11% قدمها فريق أبحاث سوني. هذين الصبغين لهما مواقع امتصاص مختلفة.
2.2- الطبقات التحسسية المشتركة. امتصاص جيد للضوء بواسطة صبغتين طبقتين تم تحقيقه بواسطة Hayes et al. يتكون المحسس من طبقتين من الصبغة السوداء وN3 يتم إنتاجهما في حالة ثاني أكسيد الكربون المضغوط. بارك وآخرون. صنع صبغة ثلاثية الطبقات تعتمد على المبدأ الكروماتوغرافي للصبغة السوداء، P5، N719 مما يؤدي إلى امتصاص أقوى للضوء. تُظهر هذه الطرق مسارًا واعدًا لالتقاط الطيف الكامل لمراكز DSC.
3- الخلايا الترادفية: في هذا التكوين يتم توصيل خلايا فرعية مختلفة ذات فجوة نطاق طاقة مختلفة بصريًا وكهربائيًا في سلسلة بالترتيب من الأعلى إلى الأقل فجوة الطاقة. وبهذه الطريقة يمكن أن تتجاوز كفاءة الخلايا الشمسية حد شوكلي-كوايسر وهو 30%.
3.1 DSC/Cu(In,Ga)Se2; تم إنشاء التكوين الترادفي لـ DSC/CIGS ميكانيكيًا من خلال تكديس هاتين الخليتين في سلسلة. تشمل عيوب هذا التكوين خسائر الانعكاس في واجهة المكدس وفقدان الامتصاص للفوتونات منخفضة الطاقة في الزجاج الموصل للخلية العلوية. في هذه المقالة يتحدثون عن التكامل المتجانس الذي يستبعد تلك المشاكل؛ يتم ترسيب الخلية العلوية في الخلية السفلية والتي تنتهي باستخدام موصلين كهربائيين فقط.
3.2 ف- نوع أشباه الموصلات. في هذا التكوين المشابه لـ DSC/CIGS الترادفي، يتم استخدام اثنين من عمليات البيع. أحدهما عبارة عن شبه موصل من النوع n حساس وأشباه موصل من النوع ap باعتباره كاثودًا ضوئيًا. يعد تطبيق أنواع مختلفة من الأصباغ على أشباه الموصلات طريقة واعدة لتغطية نطاق أوسع. بالإضافة إلى ذلك، يتم زيادة Voc في هذه البنية Voc=Voc(p-type)+Voc(n-type). تم الإبلاغ حتى الآن عن كفاءة قدرها 2.4٪.
4- تحويل الطاقة لأسفل بواسطة صبغ مرحل الطاقة
- ---
T.Yamaguchi,Y.Uchida,Sh.Agatsuma,H.Arakawa سلسلة الخلايا الشمسية الترادفية الحساسة للصبغ لتحسين الكفاءة لأكثر من 10% من مواد الطاقة الشمسية والخلايا الشمسية، المجلد 93، 733، (2009)
في هذه المقالة، تم إنشاء مراكز DSC الترادفية من أجل تحقيق كفاءات أعلى. في هذا التكوين، يجب أن توفر الخلية العلوية جهدًا عاليًا ويجب أن تتمتع الخلية السفلية بمساحة امتصاص أطول لطول الموجة. تم فحص بعض التركيبات المختلفة من الأصباغ مثل الخلايا العلوية والسفلية. تم تحقيق أفضل نتيجة بواسطة N719 للخلية العلوية والصبغة السوداء للخلية السفلية. كان أنود الصورة المطبق في هذه الدراسة هو معجون الجسيمات النانوية-TiO2. تم الحصول على كفاءة 10.4%. مع هذا الهيكل، كان كل من Voc وIPCE للخلية الترادفية أعلى من الخلايا الفردية. اقترح المؤلف 3 طرق للتحسين؛ 1) توسيع وفصل منطقة الامتصاص لكل خلية، 2) تطبيق جهد أعلى على الخلية العلوية، 3) قطب كهربائي مضاد شفاف.