ArticlePDF Available

Organske fotonaponske ćelije (Dye-sensitized solar cell)

Authors:
Mladen Bošnjaković at University of Slavonski Brod
Mladen Bošnjaković
  • University of Slavonski Brod
Katarina Knežević
Katarina Knežević
Katarina Knežević
  • This person is not on ResearchGate, or hasn't claimed this research yet.
Download full-text PDF
Read full-text
Download citation

Abstract

Uzmemo li u obzir probleme koje sa sobom donose nadolazeće klimatske promjene i onečišćenja uzrokovana fosilnim gorivima istraživanje energije sunčeva zračenja i pretvorbe u druge korisne oblike energije poprima sasvim novu dimenziju s velikom mogućnošću rješavanja problema energetske krize. U ovom članku se opisuju organske fotonaponske ćelije, njihov razvoj, prednosti i nedostatci u odnosu na prethodne tehnologije. Najnoviji tip solarne ćelije, koji konkurira silicijevoj ćeliji je bojom senzitizirana solarna ćelija s nanokristaliničnim titanovim dioksidom. Za razliku od konvencionalnih silicij fotonaponskih uređaja, obojena solarna ćelija pretvara svjetlosnu energiju u električnu energiju na molekularnoj razini, slično prirodnoj fotosintezi. Stoga ovaj članak u svojoj suštini razmatra izradu, način proizvodnje električne energije te mogućnost poboljšanja obojenih solarnih ćelija. Cilj je izbaciti skupe silicijeve solarne ćelije s tržišta i zamijeniti obojenim solarnim ćelijama koje su puno jeftinije i teorijski mogu imati učinkovitost do 30 %.
Content uploaded by Mladen Bošnjaković
Author content
All content in this area was uploaded by Mladen Bošnjaković on Oct 15, 2019
Content may be subject to copyright.
2 Zbornik radova Veleu ilišta u Slavonskom Brodu
Nakladnik Veleu ilište u Slavonskom Brodu
Glavni urednik Božica Japundži -Palenki
Tehni ki urednik Ivica Lackovi
Uredništvo Josip Juki
Slavica Kladari
Anita Kulaš
Ivica Lackovi
Nataša Romanjek Fajdeti
Tisak
Autor naslovne slike
Grafika d.o.o., Osijek
VUSB, Slavonski Brod
Naklada 100 primjeraka
ISSN 1847-988X
Adresa uredništva Veleu ilište u Slavonskom Brodu
Ulica dr. Mile Budaka 1, p.p. 721
HR-35000 Slavonski Brod
Tel: 00385-35-492-800
Faks: 00385-35-492-804
www.vusb.hr uprava@vusb.hr
© Veleu ilište u Slavonskom Brodu. Sva prava zadržana.
Stru ni pregledni rad
Zbornik radova Veleu ilišta u Slavonskom Brodu 115
1. UVOD
Tehnologija senzibilizacije boje datira iz 19. stolje a, kada je izumljena
fotografija. Korištenje senzibilizacije boje u fotonaponskim elijama ostalo je
prili no neuspješno sve do proboja u ranim 1990-ih u laboratoriju Laboratory of
Photonics and Interfaces u EPFL Švicarskoj. Uspješnom kombinacijom
nanostrukturiranih elektroda i ubrizgavanja boja profesor Grätzel [1] i njegovi
suradnici razvili su solarne elije s u inkovitosti pretvorbe energije više od 7 %
u 1991. (O'Regan & Grätzel) i 10 % u 1993. (Nazeeruddin i sur.). Ova solarna
elija naziva se bojom senzitizirana nanostrukturna solarna elija ili elija
Grätzel po svom izumitelju.
Za razliku od svih- vrstih konvencionalnih poluvodi a solarnih elija, termo-
osjetljiva solarna elija je fotoelektrokemijska solarna elija, tj. koristi teku i
elektrolit ili druge ion-provodljive faze kao medij za transport naboja. Zbog
visoke u inkovitosti i dugoro nu stabilnosti termo-osjetljivih solarnih elija,
interes za ovu tehnologiju je brzo rastao tijekom 1990-ih. Dok su nositelji
Organske fotonaponske elije
116 Zbornik radova Veleu ilišta u Slavonskom Brodu
patenta i licence razvijali originalni koncept prema prakti nom proizvodu,
brojne istraživa ke skupine istraživali su zamjenu izvornog materijala s novima.
2. RAZRADA PROBLEMA
2.1.Tehnologija organskih elija
Tehnologija organskih elija ili Dye-sensitized solar cell (DSC) je nova
tehnologija koja se bazira na organskim slojevima koji imaju sposobnost
stvaranja fotonaponskog efekta. Razvijaju se folije kojima e se mo i prekriti
postoje e staklene površine, odnosno stakla koja imaju integrirane fotonaponske
slojeve.
Najnoviji tip solarne elije, koji konkurira silicijevoj eliji je bojom
senzitizirana solarna elija s nanokristalini nim titanovim dioksidom. Za razliku
od konvencionalnih silicij fotonaponskih ure aja, obojana solarna elija pretvara
svjetlosnu energiju u elektri nu energiju na molekularnoj razini, sli no prirodnoj
fotosintezi. To je prvi primjer umjetnog "molekularnog sloja" iskorištenog u
komercijalne svrhe. Izrada ovih solarnih elija temelji se na mehanizmu
regenerativnog foto-elektro-kemijskog procesa. Aktivni sloj se sastoji od visoko
poroznog nanokristalnog titan dioksida (NC-TiO2), pokrivenog molekulama boje
koje apsorbiraju sun evu svjetlost poput klorofila u zelenom liš u. Titanov-
dioksid se uroni u otopinu elektrolita u kojima je platina glavni katalizator. Kao i
u konvencionalnim alkalnim baterijama anoda (titanov dioksid) i katoda
(platina) su smještene na suprotnim stranama teku eg vodi a (elektrolita).
Obojene elije su isto što i organske elije (Slika 1. Organska solarna elija), oba
naziva se aktivno upotrebljavaju u literaturi [2].
Slika 1. Organska solarna elija
Molekule boje su dosta male kako bi mogle upiti dovoljno veliku koli inu
dolazne svjetlosti. Zbog toga moraju biti dovoljno gusto raspore ene u
obojenom sloju. Za rješenje ovog problema koristi se nanomaterijal kao osnova
za prikupljanje velikog broja molekula boje.
Stru ni pregledni rad
Zbornik radova Veleu ilišta u Slavonskom Brodu 117
DSC ima niz zanimljivih mogu nosti; jednostavno ih je napraviti pomo u
konvencionalnih tehnika kao npr. rol-tiskanja. To je polu-fleksibilni i polu-
transparentni proizvod koji nudi razne namjene te se primjenjuju u sustavima na
bazi stakla, a ve ina tih materijala su jeftini. Problem u praksi je (ne)mogu nost
zamjene skupih materijala osobito platine i rutenija, a teku ina elektrolita
predstavlja izazov za stvaranje stanice pogodne za uporabu u svim vremenskim
uvjetima.
2.2.U inkovitost
Postoji nekoliko važnih mjera koje se koriste za karakterizaciju solarnih
elija. Najo itija je ukupna koli ina proizvedene elektri ne energije za odre enu
koli inu solarne energije koja obasjava eliju. Izraženo u postocima, ovo je
poznato kao u inkovitost solarne pretvorbe. Elektri na snaga je umnožak struje i
napona, tako da su maksimalne vrijednosti ove dvije veli ine važne za mjerenja
pove anja u inkovitosti. Razumijevanjem fizikalne slike u kojoj estice mogu
posjedovati samo odre enu energiju (cjelobrojni višekratnik kvantne energije),
koristi se izraz „kvantna u inkovitost“ koji koristi usporedbu energije fotona
potrebne za stvaranje jednog elektrona.
U smislu kvantne u inkovitosti DSC su vrlo u inkovite. Zbog svoje "dubine"
u nanostrukturama postoji vrlo velika vjerojatnost da se foton apsorbira, a boje
su vrlo u inkovite u pretvaranju fotona u elektrone. Ve ina malih gubitaka koji
postoje u DSC-u su zbog provo enja u TiO2 sloju, ili opti kih gubitaka u
prednjim elektrodama. Cjelokupni kvantni prinos za zeleno svjetlo je oko 90 %,
a oko 10 % gubitaka uglavnom se odnosi na opti ke gubitke na gornjim
elektrodama. Kvantna u inkovitost obi nih solarnih elija ovisi o debljini
poluvodi kog sloja, ali je otprilike ista kao DSC.
U teoriji, maksimalni dobiveni napon je 0,7 V kod obojenih solarnih elija, a
kod silicijevih 0,6 V što je relativno mala razlika. Iako je apsorpcija fotona u
slobodne elektrone vrlo u inkovita, samo fotoni apsorbirani u bojama e
proizvesti elektri nu energiju. Brzina apsorpcije fotona ovisi o apsorpcijskom
spektru senzitiziranog TiO2 sloja. Preklapanja izme u ova dva spektra odre uje
maksimalnu mogu nost nastajanja elektri ne energije. Obi no se koriste
molekule boje koje uglavnom imaju slabiju apsorpciju u crvenom dijelu spektra
u odnosu na silicij, što zna i da je manji dio fotona iz sun eve svjetlosti koristan
za proizvodnju elektri ne energije. Ovi faktori ograni avaju nastajanje elektri ne
energije u DSC-u. Za usporedbu, solarna elija bazirana na siliciju proizvodi oko
35 mA/cm2, a teku a DSSC oko 20 mA/cm2.
Ukupna najbolja u inkovitost pretvorbe snage za organske obojene solarne
elije je oko 11 %. Trenutni rekord za neke prototipe je oko 15 %. Iako je ta
u inkovitost manja u odnosu na tehnologiju tankog filma, u teoriji omjer cijene i
kvalitete bi mogao biti dovoljno dobar da bi se mogle uspore ivati s fosilnim
gorivima u elektranama (to ka mrežnog pariteta) [3].
Organske fotonaponske elije
118 Zbornik radova Veleu ilišta u Slavonskom Brodu
2.3.Stabilnost elije
Dugoro na stabilnost fotonaponskih ure aja je presudna to ka za
komercijalnu uporabu. Moduli trebaju imati vijek trajanja od 20 godina bez
zna ajnog smanjenja fotonaponske pretvorbe, tj. stupnja djelovanja. Me utim,
zahtjevi za stabilnoš u ovise jako o podru ju primjene fotonaponskih ure aja.
Solarne elije za nisko-energetsko tržište moraju biti stabilne za odgovaraju e
vremensko razdoblje na razini željenih radnih uvjeta. U slu aju obojene solarne
elije postoje razli iti potencijalni izvori nestabilnosti.
Najvažnije komponente za životni vijek su boja, elektrolit, te redoks par.
Boja kao molekularni stroj joda mora pro i više od 100 milijuna uzbuda,
oksidacije, redukcije ciklusa bez degradacije.
Organske solarne elije iz Solaronixa su pokazale izuzetnu stabilnost
fotokemijske strukture pod intenzivnim i stalnim svjetlosnim zra enjem. Nakon
6000 sati na punom suncu, što odgovara vremenskom periodu od oko sedam
godina izloženosti u centralnoj Europi, fotonaponska struktura je bila bez
gubitka tri-jodida ili kemijske transformacije. Testno grijanje solarne elije na
70 °C tijekom 1000 sati nije utjecalo na u inkovitost pretvorbe, što ukazuje na
izvrsnu kemijsku stabilnost.
2.4.Procesi u eliji
Glavni procesi koji se javljaju u obojenim solarnim elijama [4]:
1. Rutenij apsorbira foton koji se dalje prenosi na TiO2 površine,
2. U fotosensitizeriranom dijelu elektroni po etnog stanja (S) se pobu uju i
tada se nalaze u pobu enom stanju (S*). Pobu eni elektroni se
ubrizgavaju u vodljivi pojas na TiO2 elektrode. To rezultira oksidacijom
fotosenzibilizatora (S+).
S + h S * (1)
S * S + + E - (TiO2)
3. Ubrizgani elektron koji se nalazi u vodljivom pojasu od nano estica
TiO2 prelazi difuzijom prema stražnjem kontaktu TCO. Tako elektron
prolazi elektrodom kroz strujni krug.
4. Oksidirani fotosenzibilizator (S+) prihva a elektrone I- ion redoks
posrednika i dolazi do regeneracije u po etno stanje (S).
S + + e - S
5. U ovom procesu oksidira redox posrednik, I3- i vra a se u po etno stanje
I- iona.
I 3 - 2 + e - 3 I –
Stru ni pregledni rad
Zbornik radova Veleu ilišta u Slavonskom Brodu 119
2.5.Prednosti i nedostaci
Obojene solarne elije su trenutno naju inkovitije solarne elije tre e
generacije koje su raspoložive na tržištu. U inkovitost solarnih elija s
tehnologijom tankog filma je izme u 5 % i 13 %, dok trenutni jeftini silicijski
paneli imaju u inkovitost izme u 14 % i 17 %. To ini obojene solarne elije
atraktivnima kao zamjenu za postoje e tehnologije „niske gusto e“ koji na
krovovima izgledaju jako robusno, za razliku od tehnologije obojenih solarnih
elija u emu i je velika prednost.
Tu je još jedno podru je u kojemu su obojene solarne elije posebno
atraktivne. Proces ubrizgavanja elektrona izravno u TiO2 se kvalitativno
razlikuje od ubrizgavanja elektrona u tradicionalnim elijama. U usporedbi s
tim, postupak ubrizgavanja koji se koristi kod obojenih solarnih elija ne uvodi
samo dodatni elektron u šupljinu koja se nalazi u TiO2. Iako je mogu e da se
tako elektron regenerira nazad u molekulu boje, brzina kojom se to doga a je
vrlo mala u usporedbi sa brzinom kojom se elektron vra a iz okolnog elektrolita.
Kao rezultat tih povoljnih "diferencijalnih kineti kih kemijskih procesa",
obojene solarne elije rade ak i u uvjetima slabog osvjetljenja. Obojene solarne
elije omogu uju i rad pri smanjenoj svjetlosti (obla no nebo), kao i kada
sun eva svjetlost ne djeluje izravno na eliju, dok tradicionalne elije nisu
pogodne za rad u takvim uvjetima jer im snaga može pasti toliko nisko da jedva
imaju energije za male ure aje ili svjetla u ku i.
Prednost obojene solarne elije u odnosu na druge tehnologije je u tome što
se pri pove anju temperature u svakom poluvodi u dobije bolja propusnost
elektrona. Krhkost tradicionalnih elija od silicija je problem te iz toga razloga
moraju biti zašti ene od vanjskih utjecaja pomo u oja anog stakla. Obojene
solarne elije su obi no zašti ene samo tankim slojem vodljive plastike na
prednjem dijelu, dopuštaju i im da izmjenjuju toplinu mnogo lakše, a time i rade
na nižim temperaturama [5].
Nedostaci:
Glavni nedostatak obojenih solarnih elija je korištenje teku eg elektrolita,
koji ima problem stabilnosti temperature. Na niskim temperaturama elektrolit se
može smrznuti, završava proizvodnju energije i potencijalno dovodi do fizi kog
ošte enja. Više temperature uzrokuju proširenje teku ine što predstavlja ozbiljan
problem kod brtvljenja panela. Još jedan nedostatak je što su potrebni skupi
materijali: rutenij (boja), platina (katalizator) i provodljivo staklo ili plastika
kako bih se dobila obojena solarna elija. Tre i glavni nedostatak je u tome što
elektrolit sadrži hlapiv organski spoje (VOC) ili otapala koja moraju biti pažljivo
zabrtvljena jer su opasni za ljudsko zdravlje i okoliš [5].
2.6.Razvoj elija
Zamjena elektrolita je glavni dio današnjih istraživanja. U nekim
eksperimentima se koriste u vrš iva i od rastaljene soli, pokazuju i obe avaju e
Organske fotonaponske elije
120 Zbornik radova Veleu ilišta u Slavonskom Brodu
rezultate, ali imaju problem pri radu na visokim temperaturama gdje dolazi do
degradacije, a pri tome nisu niti fleksibilni [6].
Istraživa i sveu ilišta Northwestern objavili su rješenje za problem teku eg
elektrolita koji smanjuje vijek trajanja elije. To se postiže korištenjem
nanotehnologije i pretvorbe teku eg elektrolita u kruti. Sadašnja u inkovitost
kre e se oko polovine u inkovitosti silicijevih elija, ali su vrlo lagane za
proizvodnju i njihova cijena je vrlo mala.
Od 2009.-2013. u inkovitost vrstih obojenih solarnih elija se zna ajno
pove ala od 4 % do 15 %. Michael Graetzel najavio je izradu vrstih obojenih
solarnih elija sa 15,0 % u inkovitosti, a postignuta je pomo u hibridnih boja.
3. ZAKLJU AK
Ova tehnologija elektrokemijskih fotonaponskig sustava temeljenih na
nanokristalini nim obojanim solarnim elijama postala je alternativa s velikim
razvojnim potencijalom u odnosu na standardne tehnologije pretvorbe sun eve u
elektri nu energiju. Razvoj ovih organskih elija tek predstoji, budu i se još
ispituju i nisu u ve oj mjeri komercijalizirane. U inkovitost elije kre e se oko
12 % što je stavlja u mogu nost usporedbe sa u inkovitoš u silicijske elije:
teoretski maksimum u inkovitosti Grätzel elija iznosi 30 %, što je ak i više od
26 % kolika je maksimalna teoretska u inkovitost silicijskih elija. Ispitivanja
idu prema smjeru korištenja u fasadnim integriranim sustavima, koji se pokazuju
kao kvalitetna rješenja u svim spektrima svjetlosnih zra enja i svim
temperaturnim uvjetima. Tako er, veliki se potencijali nalaze u niskim
troškovima u odnosu na silicijske elije.
4. LITERATURA
1. Michael Grätzel, Dye-sensitized solar cells, Journal of Photochemistry
and Photobiology, 4 (2003) 145–153
2. Wan, Haiying, "Dye Sensitized Solar Cells", University of Alabama
Department of Chemistry, 3. Poglavlje
3. American Chemical Society, "Ultrathin, Dye-sensitized Solar Cells
Called Most Efficient To Date", ScienceDaily, 20 Rujan 2006
4. Hara, Kohjiro and Arakawa, Hironori (2005). "Chapter 15. Dye-
Sensitized Solar Cells". In A. Luque and S. Hegedus. Handbook of
Photovoltaic Science and Engineering. John Wiley & Sons.
doi:10.1002/0470014008.ch15. ISBN 0-471-49196-9.
5. Basic Research Needs for Solar Energy Utilization, U.S. Department of
Energy Office of Basic Energy Sciences, 2005.
6. Nathalie Rossier-Iten, "Solid hybrid dye-sensitized solar cells: new
organic materials, charge recombination and stability", École
Polytechnique Fédérale de Lausanne, 2006
ResearchGate has not been able to resolve any citations for this publication.
Dye-Sensitized Solar Cells
Article
  • Oct 2003
  • J PHOTOCH PHOTOBIO C
The dye-sensitized solar cells (DSC) provides a technically and economically credible alternative concept to present day p–n junction photovoltaic devices. In contrast to the conventional systems where the semiconductor assume both the task of light absorption and charge carrier transport the two functions are separated here. Light is absorbed by a sensitizer, which is anchored to the surface of a wide band semiconductor. Charge separation takes place at the interface via photo-induced electron injection from the dye into the conduction band of the solid. Carriers are transported in the conduction band of the semiconductor to the charge collector. The use of sensitizers having a broad absorption band in conjunction with oxide films of nanocrstalline morphology permits to harvest a large fraction of sunlight. Nearly quantitative conversion of incident photon into electric current is achieved over a large spectral range extending from the UV to the near IR region. Overall solar (standard AM 1.5) to current conversion efficiencies (IPCE) over 10% have been reached. There are good prospects to produce these cells at lower cost than conventional devices. Here we present the current state of the field, discuss new concepts of the dye-sensitized nanocrystalline solar cell (DSC) including heterojunction variants and analyze the perspectives for the future development of the technology.
View
Solid Hybrid Dye-Sensitized Solar Cells: New Organic Materials, Charge Recombination and Stability
Article
  • Jan 2006
Dye-sensitized solar cells (DSC), introduced by O'Regan and Grätzel in 1991, are a low cost alternative to conventional silicon photovoltaic cells, the latter requiring extremely pure starting materials and sophisticated production procedures. DSC's, based on an inorganic wide band-gap semiconductor (TiO2) coated by a ruthenium polypyridyl complex as dye, have been studied and improved over the last decade and have reached a considerable solar to electric conversion efficiency of 11 % over the standard air mass (AM) 1.5 spectrum (100 mWcm-2). Traditionally, a liquid electrolyte redox system is used to regenerate the photo-excitated dye and carry current through the cell. Practical advantages have been gained by replacing the liquid electrolyte with an organic solid hole-transporting material (HTM). These type of cells exhibit a record efficiency of 4 % with 2,2',7,7'-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenylamine)-9,9'-spirobifluorene (Spiro-OMeTAD) as the HTM. Clearly this lags behind the performance features of liquid electrolyte dye-sensitized solar cells, as the research of the solid-state solar cells (SSD) is still in its infancy. The objective of the present work is to study the SSD performance limitations emerging from the cells and to find strategies for addressing these problems. Interfacial charge recombination is a significant loss mechanism in DSC. This is particularly true for solid-state devices, as the solid HTM is less efficient in screening the internal fields, which assist recombination. The primary, one electron-process, charge recombination occurs between injected electrons in the TiO2 and holes in the oxidized HTM. In this work, a strategy is developed to minimize interfacial charge recombination by using guanidinium carboxylic acid molecules as co-adsorbents to the dye molecules on the TiO2 nanocrystals. The charge-recombination rate of the injected electrons in the TiO2 with the holes in the HTM was retarded by an order of magnitude. The open-circuit voltage was also significantly improved by 14%. We attribute these effects to be due to a "space-filling" on the TiO2 surface and "columbic-screening" of the electrons in the TiO2 from the holes in the HTM. The dipolar nature of the co-adsorbent molecules is also likely to contribute to improvements in open-circuit voltage by further offsetting the energy levels between the n-type semiconductor and the HTM. In order to decrease the recombination of electrons, from the semiconductor, with holes in the HTM, the hole concentration must be reduced. For this reason, new hole-conductors, based on triphenyldiamine, with high hole-mobility have been investigated, avoiding the high degree of oxidation otherwise required in the standard HTM (less hole concentration). The 1,3,5-tris(N-(1-naphtyl)-N-[4-(1-naphthylphenylamino)-phenyl]-amino)-benzene (TTADB), having a very high hole-mobility, exhibits an extremely large open-circuit voltage on flat TiO2 films compared to the Spiro (30% higher). The 4,4',4''-tris(N-3-methylphenyl)-N-phenylamino)-triphenylamine (p-MTDATA) showed an improvement of 35% in the current density for very thin TiO2 films (0.5 μm). However these TPD molecules do not fill the nanocrystalline layer. Another nanoporous filling method has to be found for these HTM candidates to enable them to compete with the Spiro. In order to understand the weaknesses of the materials and interfaces during the aging process of solid DSC's, their long-term stability was studied under constant illumination. The experiments showed a destructive decrease of the shunt resistance and a rapid loss of the oxidized form of the HTM, Spiro-OMeTAD, during constant 0.75 sun illumination. Meanwhile, the short-circuit current of the cells increased during the first five hours of illumination. This phenomenon has already been observed and was attributed to a massive reduction of the Schottky barrier size, at the anode interface. This resulted in the generation of surface states and in a "pinning" of the Fermi level in the semiconductor at this junction. After the first 5 hours, however, the degradation of the solid cells is much more apparent than in the absence of UV light, where cells stabilized after approximately 20 hours with a loss of short circuit current of ∼ 50%. Strategies towards flexible solid-state DSC were investigated. For the flexible cell construction a metal foil was used as substrate and a semi-transparent gold layer as counter electrode, which allowed light transmission through back illumination. Les cellules photovoltaïques à colorant (CPC), développées par le Professeur Grätzel et le Dr. O'Regan en 1991, sont une alternative peu coûteuse aux dispositifs classiques à jonction p-n, qui nécessitent des matériaux extrêmement purs et des processus de fabrication sophistiqués. Ce type de cellules repose sur un semi-conducteur inorganique à large bande interdite sensibilisé par un colorant à base de complexes de ruthénium polypyridyl. Des rendements de conversion sous des conditions standard d'illumination (AM 1.5, 1000W/m2) de plus de 11% ont été mesurés et certifiés suite à d'intenses recherches ces quinze dernières années. L'électrolyte liquide à système redox est utilisé usuellement dans les cellules à colorant dans le but de régénérer le colorant photo-oxydé et transférer les charges à travers la cellule. Pour des raisons pratiques de stabilité, cet électrolyte a été remplacé avec succès par un nouveau matériau solide conducteur de trous (CT), Spiro-OMeTAD. Néanmoins, le rendement de ces cellules photovoltaïques solides reste éloigné des performances des cellules classiques liquides avec leur rendement maximum de l'ordre de 4%. Les objectifs des recherches présentées sont d'une part d'étudier les facteurs limitant des cellules solaires solides et, d'autre part, de développer des stratégies visant à améliorer les performances de ces dernières. Les recombinaisons interfaciales sont des pertes d'efficacité non négligeables dans les cellules photovoltaïques à colorant. La déperdition des cellules solides est amplifiée par la plus grande sensibilité du conducteur de trous aux champs internes menant à la recombinaison des électrons injectés dans bande de conduction du TiO2 avec les trous. Une stratégie est proposée dans ce travail visant à réduire ces recombinaisons en utilisant des molécules d'acide carboxylique guanidine co-adsorbées, au côté des molécules de colorant, à la surface du semi-conducteur nanocristallin, TiO2. La vitesse de recombinaison est ainsi diminuée d'un facteur 10 et le potentiel à circuit ouvert augmenté de 14%. Ces effets sont attribués à la formation d'un écran de charge séparant les électrons du TiO2 et des trous du conducteur de trous. Un effet dipolaire des molécules de guanidine semble également participer à l'amélioration du potentiel à circuit ouvert par l'augmentation de la différence des niveaux d'énergie entre le semi-conducteur de type n et le conducteur de trous. Afin de réduire la recombinaison des électrons du TiO2 et des trous du CT, la concentration de trous dans le matériau du CT doit être réduite. Ainsi, de nouveaux conducteurs de trous à base triphenylamine, qui ont une grande mobilité de trous, ont été étudiés dans le but de diminuer la concentration de charge positive requise dans les cellules solaires solides classiques (avec Spiro-OMeTAD). Le 1,3,5-tris(N-(1-naphtyl)-N-[4-(1-naphthylphenylamino)-phenyl]-amino)-benzène (TTADB), ayant une haute mobilité de trous, affiche des potentiels à circuit ouvert très élevés sur des cellules photovoltaïques plates (sans couche nanocristalline) 30% plus élevés que lors de l'utilisation de Spiro-OMeTAD. Le 4,4',4''-tris(N-3-methylphenyl)-N-phenylamino)-triphenylamine (p-MTDATA) apporte une amélioration de la densité de courant de 35% dans des cellules contenant des couche de TiO2 ultrafines (0.5μm). Ces nouveaux conducteurs de trous ne remplissent toutefois pas suffisamment les pores de la couche nanocristalline, perdant ainsi contact avec le colorant. De nouvelles méthodes de remplissage doivent donc être trouvées afin d'utiliser plus efficacement ces nouveaux matériaux très prometteurs. Dans le but de comprendre les faiblesses des matériaux et leurs interfaces pendant le vieillissement, des études de stabilité à long terme ont été entreprises en plongeant les cellules dans un bain de soleil (à 750 W/m2). Les expériences révèlent une dégradation massive de la résistance shunt et une perte rapide de la forme oxydée du CT (Spiro-OMeTAD) pendant l'irradiation à la lumière blanche (avec UV). Cependant, la densité de courant des cellules augmente lors des cinq premières heures d'illumination. Ce phénomène, déjà publié, est attribué à une réduction importante de la largeur de la barrière de Schottky à l'interface de l'anode. Ceci résulte de la génération d'états de surface et d'un étranglement du niveau de Fermi dans le semiconducteur à cette jonction. Après 5 heures d'ensoleillement, la dégradation des cellules photovoltaïques est nettement plus importante qu'en absence de lumière UV. Les cellules protégées de la lumière UV se stabilisent au bout d'environ 20 heures avec une perte de densité de courant d'environ 50%. Des stratégies d'application de cellules photovoltaïques sur des substrats flexibles ont mené à la construction d'une cellule sur feuille de métal avec couche semi-transparente d'or comme contre électrode, permettent une transmission de lumière au dos de la cellule.
View
Dye Sensitized Solar Cells
  • Haiying Wan
Wan, Haiying, "Dye Sensitized Solar Cells", University of Alabama Department of Chemistry, 3. Poglavlje
Handbook of Photovoltaic Science and Engineering
  • Jan 2005
  • Kohjiro Hara
  • Hironori Arakawa
Hara, Kohjiro and Arakawa, Hironori (2005). "Chapter 15. Dye-Sensitized Solar Cells". In A. Luque and S. Hegedus. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. John Wiley & Sons. doi:10.1002/0470014008.ch15. ISBN 0-471-49196-9.