Нанотехнологии и сенсибилизированные красителем солнечные элементы

Аканкша Ураде
24.10.2022 31

Фотовольтаика развивалась на протяжении трех поколений, что привело к разработке солнечных элементов третьего поколения (сенсибилизированные красителями солнечные элементы, DSSC), которые содержат передовые наноматериалы и направлены на снижение стоимости производства солнечных элементов.

Что такое сенсибилизированные красителем солнечные элементы (DSSC)?

DSSC — это полупрозрачные, гибкие и эффективные тонкопленочные солнечные элементы, которые можно использовать в различных областях применения, имеющих ограничения, связанные с использованием жестких фотоэлектрических систем на основе кремния. DSSC функционируют даже в условиях низкой освещенности и пасмурности. Кроме того, они дешевле, проще в производстве, совместимы с гибкими подложками и, что наиболее важно, поглощают больше солнечного света в расчете на площадь поверхности, чем обычные кремниевые солнечные панели. В 2014 году сообщалось, что при использовании DSSC с жидким электролитом на основе порфиринового красителя эффективность преобразования энергии достигает 13%.

Структура и принцип работы DSSC

Стандартный DSSC состоит из стеклянных подложек из прозрачного проводящего оксида, красителя, фотоанода (обычно наночастицы диоксида титана (TiO2)), электролитов и противоэлектрода на основе платины. Рабочий механизм заключается в следующем: сначала солнечный свет проникает через прозрачный электрод и возбуждает электроны в слое красителя, которые затем перетекают в зону проводимости TiO2. Эти электроны проходят через внешнюю цепь. После прохождения через внешнюю цепь они подают в противоэлектрод и перетекают в электролит. Затем электролит доставляет электроны обратно к молекулам красителя, регенерируя окисленный краситель.

DSSC еще не достигли уровня эффективности имеющихся на рынке кремниевых солнечных элементов (более 25%), но с помощью нанотехнологий у них есть потенциал для достижения более высокой эффективности. Новые наноструктуры, в частности графен и его производные, квантовые точки и MXene, более привлекательны благодаря превосходным оптоэлектронным, механическим, термическим и химическим свойствам.

Графен в сенсибилизированных красителем солнечных элементах

Одним из наиболее распространенных прозрачных электродов является оксид индия-олова (ITO). С другой стороны, пленки ITO обычно хрупки и нестабильны при высоких температурах. Из-за высокой подвижности электронов и прозрачности (> 90%) графен исследуют в качестве возможного заменяющего материала для устранения ограничений по стоимости и производительности ITO. Ранее исследователи смогли получить эффективность преобразования энергии 8,44%, используя материалы на основе графена в качестве прозрачных проводящих электродов, что позволило превзойти устройства на основе стандартных прозрачных электродов ITO.

Мезопористый полупроводниковый слой в DSSC играет жизненно важную роль в процессе преобразования фотонов в электричество. Графен считается подходящим наноматериалом для встраивания в полупроводящие слои, поскольку его энергетический уровень находится между зонами проводимости TiO2 и легированного фтором оксида олова (FTO). Это свойство обеспечивает эффективный переход электронов от TiO2 к FTO, повышая производительность DSSC. Исследователи обнаружили, что использование композита rGO-TiO2 в качестве полупроводящего слоя увеличивает фототок на 29%.

Противоэлектрод в DSSC захватывает электроны из внешней цепи и вводит их в электролит. Графен обладает большой электрокаталитической активностью и отличной проводимостью, что делает его возможной заменой Pt в качестве противоэлектрода.

Квантовые точки, сенсибилизированные DSSC

Квантовые точки — это полупроводниковые наночастицы размером от 2 до 20 нм, которые проявляют необычное поведение из-за явления, известного как квантово-размерный эффект. К солнечным элементам четвертого поколения относятся солнечные элементы, сенсибилизированные квантовыми точками (QDSSC). Эти солнечные элементы, как и их предшественники DSSC, содержат фотоанод, катод и электролит, за исключением фотосенсибилизатора, который представляет собой слой квантовых точек, таких как CdS, CdSe и CdTe, а также графеновые квантовые точки (GQD). Например, GQD увеличил эффективность преобразования энергии на 8,9% по сравнению с 7,6% для традиционных красителей N719.

MXene в сенсибилизированных красителем солнечных элементах

Самым дорогим компонентом в DSSC на сегодняшний день является противоэлектрод (платина), содержащий слой катализатора и слой прозрачного проводящего оксида. Предполагаемая замена этого слоя откроет путь для широкой коммерциализации технологии DSSC.

В последнее время большое внимание привлекает к себе материал MXene из-за огромной площади поверхности, тепловой и электрической проводимости, биосовместимости, сильной каталитической активности и гибкости. Было показано, что противоэлектрод на основе MXene имеет КПД преобразования 8,68%, что превышает значение для обычного противоэлектрода на основе Pt на 4,03%.

Коммерческое внедрение нанотехнологий в солнечных элементах

Недавно в рамках пилотного проекта Graphene Flagship были построены первые в мире перовскитовые солнечные панели большой площади (0,5 м2) на основе графена, каждая из которых состоит из 40 модулей. Солнечный энергоцентр установлен на греческом острове Крит и состоит из девяти графен-перовскитовых панелей с общим размером панели 4,5 м2, общей пиковой мощностью более 250 Вт и высокой эффективностью преобразования 12,5%. Проект направлен на снижение нормированной стоимости энергии до менее чем 20 евро/МВтч.

Другим коммерческим примером использования нанотехнологий в солнечных элементах является сотрудничество в 2018 году между ZNShine и Bharat Heavy Electric Limited, в ходе которого они нанесли графеновое покрытие на панель, обращенную к солнечному свету, чтобы оно работало как самоочищающееся покрытие и повышало эффективность преобразования энергии.

Среди наиболее известных производителей солнечных элементов на основе нанотехнологий — Trina Solar, Solargise, Jinko Solar, NextEra Energy, First Solar Inc., Canadian Solar и Hanwha-Q Cells.

Использованные и дополнительные источники информации

  1. Пескетелли, Сара и соавт. (2022) Интеграция перовскитовых солнечных панелей на основе двумерных материалов в автономную солнечную ферму. Журнал Nature Energy, 7, стр. 597–607. https://doi.org/10.1038/s41560-022-01035-4
  2. Мучувети, Эдгар и соавт. (2020). Последние достижения в области материалов на основе графена для изготовления сенсибилизированных красителем солнечных элементов. Журнал RSC advances. 10(72), стр. 44453–44469. https://doi.org/10.1039/D0RA08851J
  3. Чжан, Е и соавт. Недавнее применение графена в сенсибилизированных красителем солнечных элементах. Журнал Current Opinion in Colloid & Interface Science. 20(5-6) стр. 406–415. https://doi.org/10.1016/j.cocis.2015.11.002
  4. Ахмад, Мухаммад Шакил и соавт. (2021) Двухмерные хлопья Mxene в качестве потенциальной замены слоев прозрачного проводящего оксида и Pt для сенсибилизированных красителем солнечных элементов. Журнал Ceramics International. 47(19), стр. 27942-27947 https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.06.225
  5. Джанани, Муругесан и соавт. (2017). Фотовольтаика: Роль нанотехнологий в сенсибилизированных красителем солнечных элементах. Нанотехнологии для обеспечения энергетической устойчивости. https://doi.org/10.1002/9783527696109.ch5
  6. Саутер, У. (2013) Что такое солнечный элемент, сенсибилизированный красителем? AzoNano [сайт] Статья представлена на сайте https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=3175

Аканкша Ураде — кандидат наук, научный сотрудник Индийского технологического института, Рурки, Индия. Область ее исследований включает синтез графена методом химического осаждения из паровой фазы. Аканкша также любит писать научные статьи, касающиеся передовых исследований в области 2D-материалов, особенно графена, читает соответствующие статьи, чтобы понять, о чем идет речь, и попытаться представить это в упрощенном виде. Ее цель — помочь каждому читателю, независимо от его образования, понять технологию графена. Она верит, что каждый может учиться, при условии, что этому хорошо учат.

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

Металлические наночастицы для защиты древесины
Металлические наночастицы для защиты древесины
Исследователи провели предварительный эксперимент, чтобы оценить способность металлических наночастиц обеспечивать защиту деревянных поверхностей от ультрафиолетового…
04.11.2022
35
Инновационные аспекты технологии химико-механического нанополирования материалов полупроводниковой электроники. Часть 1.
Инновационные аспекты технологии химико-механического нанополирования материалов полупроводниковой электроники. Часть 1.
Представлены результаты изучения 4-х аспектов технологии ХМП - химического, механического, коррозионноэлектрохимического и механохимического
А.С. Артемов, ИОФ им. А.М. Прохорова РАН, И.Г. Рузавин
21.08.2018
670
Итоги выставки ExpoCoatingMoscow
Итоги выставки ExpoCoatingMoscow
ExpoCoating Moscow – ключевая в России специализированная международная выставка материалов и оборудования для обработки поверхности,…
28.11.2022
35
Электроосаждение железа в присутствии наноуглеродных добавок. Часть 1
Электроосаждение железа в присутствии наноуглеродных добавок. Часть 1
Процесс железнения, применяемый для тех же целей, что и хромирование, экономически и экологически более выгоден
Г.К. Буркат, к.х.н., В.Ю. Долматов, Е.А. Орлова, Д.М. Черников, СПбГТИ (ТУ) (Мир гальваники 2010)
07.08.2018
833
Электроосаждение железа в присутствии наноуглеродных добавок. Часть 2
Электроосаждение железа в присутствии наноуглеродных добавок. Часть 2
Процесс железнения, применяемый для тех же целей, что и хромирование, экономически и экологически более выгоден.
Г. К. Буркат, к. х. н., В. Ю. Долматов, Е. А. Орлова, Д. М. Черников, СПбГТИ (ТУ)
21.08.2018
543
Инновационные аспекты технологии химико-механического нанополирования материалов полупроводниковой электроники. Часть 3
Инновационные аспекты технологии химико-механического нанополирования материалов полупроводниковой электроники. Часть 3
Представлены результаты изучения 4-х аспектов технологии ХМП - химического, механического, коррозионно-электрохимического и механохимического
А.С. Артемов, ИОФ им. А.М. Прохорова РАН И.Г. Рузавин
21.08.2018
536
Эпиламы: видеть новое в забытом старом
Эпиламы: видеть новое в забытом старом
С наступлением эры нанотехнологии этот вид покрытия пользуется все возрастающим спросом в силу уникальности достигаемых…
Вохидов А. С., к. э. н., Добровольский Л.О.
21.08.2018
1352
Нанотехнологии для улучшения проникающей способности продуктов на основе растворителей
Нанотехнологии для улучшения проникающей способности продуктов на основе растворителей
Нанотехнология, а точнее, явления наноразмерного масштаба, и способы управления такими явлениями существовали всегда. Что нового…
Антониетта Широ, Люка Балларати, Антонио Мадер,Марко Серра
25.05.2021
230
Инновационные аспекты технологии химико-механического нанополирования материалов полупроводниковой электроники. Часть 2.
Инновационные аспекты технологии химико-механического нанополирования материалов полупроводниковой электроники. Часть 2.
Представлены результаты изучения 4-х аспектов технологии ХМП — химического, механического, коррозионно-электрохимического и механохимического
А. С. Артемов, ИОФ им. А.М. Прохорова РАН И. Г. Рузавин
21.08.2018
619