染料敏化太阳能电池

乐队理论:

当两个原子聚集在一起形成分子轨道时, 就形成了两个轨道, 一个是键合, 另一个是反对称。⁴这些用一定量的能量隔开。当n原子聚集在一起形成分子轨道, 如在一个固体, n分子轨道形式。当n很大时, 在能量中间距很大的轨道的数目也同样多。结果是一个类似能量的轨道带 (图 1)。原子中的电子位于这些波段。布带是用电子填充的最高能量带。它类似于分子的最高被占领分子轨道 (智人)。传导带是不被电子填充的最低波段, 类似于分子的最低未被占用的分子轨道 (LUMO)。带隙是这两个波段之间的能量差。

当带隙较大时, 固体材料为绝缘体: 电子不能在材料中自由流动 (图 1)。相比之下, 导体是那些挂布-传导带隙是模糊的。在导体中, 如金属, 施加电压会使价带中的一些电子产生导电带。这些兴奋的电子可以自由移动。电子留下正面孔, 也自由地移动。在现实中, 空穴不移动, 而是电子移动来填满正孔。在导体中, 随着温度的升高, 分子振动增加, 从而阻碍了电子的流动, 降低了电导率。

半导体是在0开尔文中充当绝缘体的材料, 但随着温度的升高而成为导体 (图 1)。这是因为带隙-在价和传导带之间的能量-是小的, 因此热能足够足够激发电子入传导带。典型的内在半导体包括硅和锗。

图 1.绝缘子、半导体和导体的带图。阴影带充满了电子, 而白色带是空的。离散电子由一个红色球体表示, 而离散孔则由一个白色球体表示。

光伏效应:

当光线照射到半导体时, 它可以激发电子从价带到传导带。这个电子可以再与它留下的空穴重新组合, 导致电子流不净。或者, 它可以在电路的周围通过半导体, 并在电路的另一端与一个孔进行重组。从暴露在阳光下产生的电子流动被称为光伏效应。这后一种情况是想要产生电能, 因此系统必须设计成有利于这种过度重组。

一种有利于这一点的方法是设计具有 p-n 结点的单元格,即, 在 n 和 p 掺杂半导体之间的连接。这是半导体, 其中一些原子被替换为相邻的原子周期表。在掺 n-掺杂的半导体中, 这些被电子所取代的原子, 在 p 掺杂的半导体中, 这些被原子所取代, 它们的电子较少。"传统的" 硅基太阳能电池利用这种方法。

然而, 一种新型的太阳能电池是 DSSC 的, 通常被称为 tzel 细胞。⁵这些都是有希望的, 因为它们是半透明的, 而且它们的成本大大减少。这些太阳能电池仍然利用半导体, 但它是一种染料, 是用来吸收从太阳的光。

DSSC 的组件:

DSSC 中有许多组件, 如图 2所示。

染料

为了促进光伏效应, DSSC 利用染料。染料分子吸收光, 促进电子从键合轨道到键轨道。这个激发的电子可以向下回落到键合轨道, 从而导致电子不流动。或者, 它可以被注入一个半导体, 一个 DSSC 的生产通路。这留下一个洞, 必须填补, 以完成电路。对于生产通路, 在染料中激发态电子的能量必须大于半导体的传导带。染料还应吸收大部分的太阳光谱, 以提高细胞的效率。典型的染料是钌 (Ru) 为基础的, 因此限制了 DSSC, 因为这种金属不是很经济。

在这个实验中, 我们将利用在一些浆果中发现的天然染料 (花青素), 如黑莓和覆盆子。花青素染料的结构必须具有几个 = O 或-OH 组, 允许染料绑定到 Ti^IVO₂表面 (图 3)。⁶

半导体

激发的电子然后流向半导体的传导带。我们将在本实验中使用的半导体是₂。

阳极

电子流动从半导体到阳极, 在这种情况下, 是诺₂镀膜玻璃。诺₂允许玻璃上的导电表面, 否则将是绝缘体。

阴极

通过负载后, 电子来到阴极, 同样在诺的₂中被覆盖。在这种情况下, 阴极还被催化剂覆盖, 石墨有助于促进介质的氧化还原反应。

调解

电子从阴极传递到 i₃^-, 将其还原为 i.这种减少的分子可以将电子捐献给染料分子中留下的空穴, 完成电路。此过程将重新生成₃^-。₃^-/i^-单元电位和费米电平之间的差异对应于太阳能电池的开路电位, 或可以与电池一起产生的最大电压。

在这个视频中, 一个 DSSC 的准备和它的性能评估。

图 2.DSSC 的示意图阳光被染料吸收, 将电子提升到染料中的键轨道。该电子然后移动到₂传导带, 留下一个洞。电子绕过电路并传递负载,用于将 i₃^-还原为 i, 然后将其氧化回 i₃, 因为电子填充染料中的孔。

图 3.在一些浆果中发现的花青素色素将螯合到₂表面。

对于在步骤 6.5. 3-6. 5.4 中收集的每个数据点, 计算当前密度 (mA/cm²) 和功率密度 (兆瓦/cm²)。要计算电流密度, 请将电流除以在步骤2.7 中确定的胶片的表面面积。计算功率密度, 乘以电流密度的电压。为步骤6.3、6.4 和 6.5. 3-6. 5.4 中收集的数据绘制电流 (mA) 与电压 (mV)。为所有数据绘制当前密度与伏特的图。这应该靠近曲线的 "膝盖"。通过将最大功率 (兆瓦/cm²) 除以传入的太阳能 (被视为 800-1, 000 瓦特/m²), 并乘以100% 来确定阳光对电能转换效率。

在太阳电池文献中, 对数据的分析和制备是标准的, 作为比较细胞性能的一种手段。测量的开路电压应介于0.3 和0.5 伏之间, 并应获得1-2 毫安/cm²的短路电位。

这部影片展示了一个简单的 DSSC 的准备和分析。

太阳能电池越来越普遍, 目前正在进行大量的研究来提高它们的性能。以硅半导体为基础的传统太阳能电池被用来制造在空间和地球上使用的太阳能电池板。丹佛国际机场利用了科罗拉多阳光明媚的气候, 拥有四太阳能阵列, 提供了6% 的机场能源需求。

DSSCs 的运行效率高达 15%,⁷相比传统的低成本、商业化的硅板效率提高了14-17%。虽然 DSSCs 的运行效率是有竞争力的, 但高成本的材料 (如 Ru 染料) 对于 large-scale 应用来说是有问题的。DSSCs 的最大缺点可能是对温度变化敏感的液态电解质的使用。液态电解质可以在低温下结冰, 从而停止电力生产和/或导致太阳能电池板的结构损坏。在高温下, 液态电解质膨胀, 使得密封板具有挑战性。