История развития сенсибилизированных красителем фотоэлектрохимических элементов регенеративного типа

Для повышения  транспорта электронов в сенсибилизированных  красителем фотоэлектрохимических элементах, с сохранением при этом большой фактической площади пористого полупроводникового слоя, на который адсорбировался молекулярный монослой красителя, в 2006 г. была разработана альтернативная морфология полупроводникового слоя фотоанода, включающая в свою структуру массивы нановолокон в сочетании с нанотрубками и наночастицами, обеспечивающие прямой дрейф сгенерированных электронов к электроду посредством зоны проводимости этих наноструктур. Такие структуры могут служить средством повышения квантовой эффективности сенсибилизированных красителем элементов в красной области спектра, в которой их производительность в настоящее время невелика.

В 2007 году исследования в области сенсибилизированных красителем фотоэлементов были ознаменованы тем, что были применены впервые дешёвые органические сенсибилизаторы взамен дорогих металлоорганических. Уэйн Кэмпбелл из новозеландского университета Массей экспериментировал с широким спектром органических красителей на основе порфирина. В природе порфирин является основным строительным блоком гемопротеидов, в том числе хлорофилла в растениях и гемоглобина у животных. Ему удалось получить фотоэлектрохимические ячейки с эффективностью порядка 5,6% но основе этих недорогих органических красителей. [8]

В статье, опубликованной в Nature Materials в 2008 г. приводилось описание ячейки с КПД 8,2% с использованием нового электролита, не содержащего жидких компонентов, и состоящего из трех расплава солей, в качестве альтернативы электролитам на основе органических растворителей. Несмотря на то, что эффективность этого электролита меньше, чем у жидких электролитов на основе органических растворов ионов йода, исследователи уверены, что возможно повысить КПД элементов на базе данного электролита до 10%.

В 2009 г. была продемонстрирован сенсибилизированный красителем солнечный элемент, изготовленный в полой стеклянной трубке, благодаря методу синтеза FTO оксид олова легированного фтором с высоким оптическим коэффициентом свето пропускания и низким поверхностным сопротивлением, который осаждался на внутренней поверхности стеклянной трубки с помощью распыления и пиролиза. На слой FTO наносилась мезопористая пленка диоксида титана с помощью электрофорезного осаждения. Потом трубка отжигалась и сенсибилизировалась рутениевым красителем марки N3 и пропитывалась электролитом с редокс системой, а платиновый стержень использовался для замыкания внешней цепи. Новая трубчатая конструкция существенно уменьшает площадь, требующую герметизации, по сравнению с классической конструкцией плоских ячеек, а так же герметизировать трубчатую ячейку легче, чем две плоские подложки. Огромное преимущество трубчатой конструкции оказалось в том, что в ней токоотводящие элементы, размещенные внутри трубчатой конструкции не препятствуют свету падать на рабочую поверхность ячейки. В панелях из таких трубчатых элементах улучшен процесс конвекционного охлаждения между трубка, что способствует снижению сопротивления, а цилиндрическая форма способствовала более эффективному поглощению рассеянного излучения [9].

В 2010 г ученые федеральной политехнической школы Лозанны и университета Квебека в Монреале сообщили, что им удалось преодолеть две основных проблемы, препятствовавшие дальнейшему росту производительности сенсибилизированных красителем фотоэлектрохимических элементов: во-первых была осуществлена разработка новых компонентов для электролитов, благодаря которым жидкий или гелеобразный электролит имел высокую прозрачность и был нейтрален к остальным компонентам ячейки, а так же способствовал увеличению фото-ЭДС элемента и его рабочей стабильности; во-вторых слой платины на катоде был заменен сульфидом кобальта, который намного дешевле, более эффективнее и стабильнее, при этом его легче получить в лабораторных условиях, чем платину.

Большинство исследователей уже 2012 году объявили о том, что основной проблемой на пути дальнейшего развития сенсибилизированных красителем фотоэлектрохимических элементов является использование в конструкциях элементов данного типа жидких электролитов, сильно сокращающих потенциально возможный срок службы устройства. Преодолеть эту проблему предполагается за счет применения новых достижений нанотехнологии, и заменой жидкого электролита твердотельными электролитными веществами. В настоящее время эффективность элементов на основе квазитвердых электролитов в два раза меньше чем у кремниевых, но они требуют потенциально гораздо меньших затрат на производство.

Заключение

В заключение рассмотрим анализ изменения КПД различных типов солнечных элементов с момента их появления и до 2010 г., а также экстраполяцию полученных зависимостей до 2050 г. приведены на рисунке 2. Графики построены на основании опубликованных материалов и доклада Д. Кахена. Из рисунка 1 видно, что наибольшие значения КПД были достигнуты для систем на основе материалов A^IIIB^V, в то время как для остальных полупроводников КПД в настоящее время не превышает 20–25 %.

Рисунок 1 – Изменение КПД различных типов полупроводниковых преобразователей солнечной энергии: 1 – кристаллический Si, 2 – аморфный Si, 3 – A^IIIB^V солнечные элементы (включая тандемные), 4 – солнечные элементы CIS (CdlnSe), 5 – сенсибилизированные красителем фотоэлектрохимические элементы (ячейки Гретцеля), 6 – органические солнечные элементы

По  сравнению с приведенными данными, возможности солнечных элементов  на основе органических и гибридных, в том числе сенсибилизированных  полупроводниковых материалов выглядят намного скромнее (около 10 %). Однако не следует забывать, что, активная работа над ними ведется не более 20 лет.

Хотя  запатентован и разработан весьма весомый объём технических и технологических концепций и решений в области фотоэлектрохимических элементов сенсибилизированных красителем, достаточный для практического применения и коммерциализации данных элементов, многочисленные группы исследователей продолжают работу по поиску аналогов оригинальных материалов новыми, более эффективными.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Паращук, Д. Ю. Современные фотоэлектрические и фотохимические методы преобразования солнечной энергии: препринт / Д. Ю. Паращук; МГУ. – М.: УНЦ ДО НИИЯФ МГУ, 2009. – 20 с.

2 McEvoy, A. J. Sensitization in photochemistry and photovoltaics / A. J. McEvoy, M. Gratzel // Solar Energy Materials & Solar Cells. – 1994. –- Vol. 32, № 3, – P. 221-227.

3 Becquerel E. Mèmoire sur les effets électriques produits sous l'influence des rayons solaires. E. Becquerel, C. R. // Acad. Sci. Paris. – 1839. – Vol. 9,  
– P. 561-567.

4 Moser J. Notiz über Verstärkung photoelektrischer Ströme durch potische Sensibilisirung / J. Moser // Monatshefte für Chemie. – 1887. – Vol. 8, – P. 373-373.

5 Connolly, J.S. Photochemical Conversion and Storage of Solar Energy / J.S. Connolly. – Academic Press, 1981. – P. 444.

6 Matsumura M. Dye sensitised zinc oxide: aqueous electrolyte: platinum photocell / H. Tsubomura, M. Matsumura, Y. Nomura, T. Amamiya // Nature (London). – 1976. – Vol. 261, – P. 402-403.

7 Wang, P. A stable quasi-solid-state dye-sensitized solar cell with an amphiphilic ruthenium sensitizer and polymer gel electrolyte /P. Wang, S. M. Zakeeruddin, J. E. Moser, M. K. Nazeeruddin, Т. Sekiguchi, M. Grätzel. // Nature Materials. – 2003. – Vol. 2, №6, – P. 402–407.

8 Wang, Q. Efficient light harvesting by using green Zn-porphyrin-sensitized nanocrystalline TiO₂ films / Q. Wang, Wm. Campbell, E. Bonfantani, Kw. Jolley, Dl. Officer, P. Walsh, K. Gordon, R. Humphry-Baker, M. Nazeeruddin, M. Grätzel // The journal of physical chemistry. – 2005. – Vol. 109, – P. 15397–15409.

9 Tachan, Z. Dye-sensitized solar tubes: A new solar cell design for efficient current collection and improved cell sealing / Zion Tachan, Sven Rühle, Arie Zaban // Solar Energy Materials & Solar Cells. – 2009. – Vol. 94, – P. 317–322.