Rutenium-alapú festékek a színezék-érzékenyített napelemek számára

Dr. Hans Desilvestro, Dr. Yanek Hebting

Dyesol Ltd., 3 Dominion Place, Queanbeyan NSW 2620 AUSTRALIA

A festékérzékenyített napelemek működési elve 

A festékérzékenyített napelemek (DSC) a harmadik generációs napelemek, amelyek a nagy hatékonyság és az alacsony előállítási költségek ígéretét ötvözik. Míg a jelenlegi DSC-k akár 11%-os fény-villamosenergia átalakítást biztosítanak,^1-3 az optimalizált anyagok és az újszerű cella- és modularchitektúrák révén jelentős további javulást terveznek. Ezen túlmenően a DSC-eszközök félig átlátszóvá alakíthatók, hogy gyakorlatilag bármilyen szögből és irányból begyűjthessék a fényt, ami megnyitja az utat az épületek fotovoltaikus ablakaként vagy kisméretű eszközökben való felhasználásuk előtt.

1. ábra. Az elektronok útvonalának vázlata egy DSC rendszerben

Az 1. ábrán látható vázlat 1. ábra a DSC működési elvét mutatja be:

• A fényt elnyeli egy monomolekuláris festékréteg, amely egy nanokristályos TiO _{vékony filmre kemoszorbeálódik.2} egy elektront a Ru²⁺ alapú alapállapotból egy gerjesztett állapotba (Ru^2*) juttat.
• A gerjesztett elektron ezután nagyon rövid időn belül (piko- és femtoszekundumok között) átkerül a TiO₂ vezetési sávjába (CB). Ez hatékony töltésszétválasztáshoz vezet, a titánium-dioxid fázisban negatív töltéssel, a felületen adszorbeálódott Ru³⁺ pedig pozitív töltéssel.
• A Ru³⁺ faj ezután nagyon gyorsan (nanoszekundumokon belül) redukálódik az elektrolitrendszerben jelen lévő jodid-anion (I¯ ) által. A TiO₂ -ba az előző lépésben bejuttatott elektron addig diffundál a részecskék nanohálózatán keresztül, amíg el nem éri az áramgyűjtéshez szükséges elektromosan vezető felületet, pl. egy vékony vezető, átlátszó oxidréteget üveg, műanyag vagy fémszubsztráton.
• A fotoanódból így áramként kivont elektromos töltés hasznos elektromos energia előállítására hasznosítható.
• Az elektromos áramkör bezárása érdekében a negatív töltések egy ellenelektród (CE) felületére irányulnak, ahol az I₃¯ I¯-ra csökken. Így a DSC-n belül nem történik nettó kémiai reakció.

A DSC működése sokkal közelebb áll a fotoszintetikus folyamatokhoz, mint a hagyományos szilárdtest-fotovoltaikus eszközök, például a szilíciumalapú napelemek működése. A fotoszintézishez hasonlóan a DSC-kben is a fényátalakítás hatékonysága a reakciók relatív sebességétől, azaz a kinetikától függ. Az elektroninjekció a titanium-dioxid vezetési sávjába sokkal gyorsabb, mint az alapállapotba való visszavezető elektronrelaxációs folyamatok vagy a festék gerjesztett állapotát érintő kémiai mellékreakciók. Sőt, az oxidált festék (Ru³⁺) I¯ általi redukciója lényegesen gyorsabb⁴ mint az injektált elektron és a Ru³⁺ közötti közvetlen rekombinációs reakció.

Ruténium színezékek

A színezékkel érzékenyített napelemekben a színezék az egyik legfontosabb összetevő a magas energiaátalakítási hatásfok eléréséhez. Az elmúlt években jelentős fejlesztések történtek az újszerű festékszerkezetek tervezésében a rendszer teljesítményének növelése érdekében. Különösen az úttörő rúthénium alapú N-3 festék amfifil homológjait fejlesztették ki. Ezek az amfifil színezékek számos előnyt mutatnak az N-3 színezékkel szemben, mint például:

1. a_a a kötésrész magasabb alapállapotú pK_a -ja, így növelve az elektrosztatikus kötődést a TiO₂ felületen alacsonyabb pH-értékeknél,
2. a festék csökkent töltése csillapítja az elektrosztatikus taszítást az adszorbeált festékegységek között, és ezáltal növeli a festékterhelést,
3. /li>
4. növeli a napelemek stabilitását a víz okozta festék deszorpcióval szemben,
5. ezen komplexek oxidációs potenciálja katódosan eltolódik az N-3 érzékenyítőhöz képest, ami növeli a ruthénium III/II pár reverzibilitását, ami fokozott stabilitáshoz vezet.⁵

N-3 C₂₆H₁₆N₆O₈RuS₂ Mol Wt: 705.64

N-719 C₅₈H₈₆N₈O₈RuS₂ Mol Wt: 1188.55

Z-907 C₄₂H₅₂N₆O₄RuS₂ Mol Wt: 870.10

2. ábra. Rutenium alapú N-3, N-719 és Z-907 színezékek.

A ruténium-alapú színezékek ligandum-központú töltésátmeneteket (LCCT) (π - π*), valamint fém-ligandum töltésátmeneteket (MLCT) (4d - π*) mutatnak, amelyek megfigyelhetők az N-719 és Z-907 színezékek UV/Vis spektrumában (3. ábra). Az alacsonyabb energiáknál lévő abszorpciós sávok az MLCT átmeneteket (λ₁ és λ₂) jelentik.), míg a nagyobb energiaigényű átmenetek (λ₃ és λ₄) az LCCT-átmeneteknek felelnek meg.⁶

3. ábra. Az N-719 (703214-es termékszámú) és a Z-907 (703168-as termékszámú) színezékek UV/Vis spektrumai.

DSC Cell

Egy áttetsző DSC, amelynek aktív területe 0.88 cm² (8 mm x 11 mm), amely a Dyesol tesztcella hardverén^7,8 alapuló, N-719 festékkel készített, a 4. ábrán látható. A narancssárga színű terület a festékkel módosított titánium-dioxidnak köszönhető; a sárga színt a rendszer elektrolitja adja.

4. ábra. N-719 festékkel gyártott Dyesol áttetsző tesztcella (skála nm-ben)

JV görbék

A szabványos tesztcellákat a JV-diagramok jellemzik, amint az a következő ábrán látható 5. ábra három különböző napsugárzási szintnél (1 nap 100 mW cm^-2-nak felel meg). A feszültséget,V, és az áramsűrűséget, J (mA cm^-2), a maximális teljesítményponton a V_max és J_max jelöli. Ezért a hatásfokok a következőképpen számíthatóak:

η (%) = (V_max x J_max) / (napszint)

5. ábra. JV görbék N-719 (balra) és Z-907 (jobbra) festékalapú DSC eszközökhöz.

A kereskedelmi forgalomban kapható, alacsony illékonyságú elektrolitrendszereknél a jellemző rövidzárlati áramok 15,5 mA cm^-2 és 13.7 mA cm^-2 teljes napsütésben 5,7%-os és 4,8%-os hatékonysággal az N-719 és a Z-907 esetében. A DSC-rendszerekben a teljes napfényszintű hatásfokokhoz képest a hatásfokok jellemzően alacsonyabb napfényszinteknél 7,8%-ra (5,2 mA cm^-2) és 7,6%-ra (1.5 mA cm^-2) az N-719 esetében, valamint 6,9%-ra (4,8 mA cm^-2) és 6.9% (1,4 mA cm^-2) a Z-907 esetében 1/3 nap, illetve 1/10 napnál.

Hivatkozások

1. Chiba Y, Islam A, Watanabe Y, Komiya R, Koide N, Han L. Dye-Sensitized Solar Cells with Conversion Efficiency of 11.1%. Jpn. J. Appl. Phys.. 45(No. 25):L638-L640. https://doi.org/10.1143/jjap.45.l638

2. Grätzel M. 2004. Conversion of sunlight to electric power by nanocrystalline dye-sensitized solar cells. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. 164(1-3):3-14. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2004.02.023

3. Chiba Y, Islam A, Kakutani K, Komiya R, Koide N, Han L. 2005. High efficiency dye sensitized solar cells Technical Digest 15th International Photovoltaic Science and Engineering Conference. 03 Oct 2005; Shanghai : p. 665-666.

4. Grätzel M. 2005. Solar Energy Conversion by Dye-Sensitized Photovoltaic Cells. Inorg. Chem.. 44(20):6841-6851. https://doi.org/10.1021/ic0508371

5. Klein C, Nazeeruddin MK, Di Censo D, Liska P, Grätzel M. 2004. Amphiphilic Ruthenium Sensitizers and Their Applications in Dye-Sensitized Solar Cells. Inorg. Chem.. 43(14):4216-4226. https://doi.org/10.1021/ic049906m

6. Hirata N, Lagref J, Palomares EJ, Durrant JR, Nazeeruddin MK, Gratzel M, Di Censo D. 2004. Supramolecular Control of Charge-Transfer Dynamics on Dye-sensitized Nanocrystalline TiO2 Films. Chem. Eur. J.. 10(3):595-602. https://doi.org/10.1002/chem.200305408

7. Dyesol Research, Development and Prototyping Solutions Page.. [Internet].[cited 15 Apr 2009]. Available from: http://www.dyesol.com/index.php?page=Equipment

8. Dyesol Glass Test Plates Page. . [Internet].[cited 15 Apr 2009]. Available from: https://www.dyesol.com/search?query=test+cell