Ячейка Гретцеля

'Сенсибилизированные красителем'солнечные батареи — фотоэлектрохимические ячейки, в которых используются фоточувствительные мезопористые оксидные полупроводники с широкой запрещённой зоной. Эти ячейки изобретены в 1991 году М.Гретцелем (Michael Graetzel) и др.¹⁾, по имени которого и получили название ячеек Гретцеля.

Солнечные батареи этого типа многообещающи, поскольку изготавливаются из дешёвых материалов и не требуют сложной аппаратуры при производстве. Ячейки имеют простую структуру, состоят из двух электродов и йодсодержащего электролита. Один электрод состоит из высокопористого насыщенного красителем диоксида титана (TiO₂), нанесённого на прозрачную электропроводящую подложку. Другим электродом является просто прозрачная электропроводящая подложка. Работа ячейки часто сравнивается с фотосинтезом, поскольку оба процесса используют окислительно-восстановительную реакцию, протекающую в электролите. Эффективность преобразования энергии в ячейке ещё не достигла уровня кремниевых солнечных батарей. В настоящее время она составляет около 10 %. Теоретически возможно достичь уровня в 33 %.

Принцип действия

Солнечный свет поступает сквозь электропроводящий стеклянный электрод, насыщенный красителем, где поглощается. Когда краситель поглощает свет, один из электронов его молекулы переходит из основного состояния в возбуждённое состояние. Это явление называется «фотовозбуждение». Возбуждённый электрон перемещается от красителя в зону проводимости TiO₂. Переход происходит очень быстро; он занимает только 10⁻¹⁵секунды. В TiO₂ электрон диффундирует через TiO₂-плёнку, достигает стеклянного электрода и далее по проводнику стекает во второй электрод. Молекула красителя с потерей электрона окисляется. Восстановление молекулы красителя в первоначальное состояние происходит путём получение электрона от йодид-иона, превращая его в молекулу йода, которая в свою очередь диффундирует к противоположному электроду, получает от него электрон и снова становится йодид-ионом. По такому принципу цветосенсибилизированная солнечная батарея преобразует солнечную энергию в электрический ток, протекающий по внешнему проводнику.

Новые достижения (август 2006)

В качестве альтернативы традиционной неорганической фотоэлектроэнергетике, цветосенсибилизированные солнечные батареи используют слой инкапсулированных частиц в сочетании с высокопроводящей ионной жидкостью. Ионные жидкости, показывающие высокую эффективность конверсии при использовании в этих новых солнечных батареях, термически и химически не стабильны и способны терять эффективность. Но исследователи из Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (Лозанна, Швейцария) достигли успеха, используя в качестве новой устойчивой ионной жидкости — 1-этил-3-метилимидазолинтетрацианоборат (EMIB(CN)₄), достигли уровня эффективности преобразования энергии 7 % при полной освещённости даже после термического или светового старения.

Для подтверждения химической и термической стабильности их солнечных батарей исследователи подвергали устройство нагреванию до 80 °C в темноте на протяжении 1000 часов, а затем на свету при 60 °C в течение тех же 1000 часов. После нагревания в темноте и на свету 90 % исходной фотоэлектрической эффективности сохранилось — впервые такая превосходная термическая стабильность наблюдалась для жидкого ионного электролита с высокой эффективностью конверсии. В противоположность кремниевым солнечным батареям, чья производительность падает с ростом температуры, цветосенсибилизированные солнечные батареи испытывают лишь незначительное изменение, когда их температура возрастает от комнатной до 60 °C.

Ячейка на основе диоксида титана (TiO₂)

Ячейка на основе диоксида титана

Технология тонкопленочных солнечных элементов с применением ТіО₂, на базе которых можно делать существенно более емкие и дешевые солнечные батареи для использования на массовом рынке.

Литература

• M. Graetzel Сенсибизизатор переноса заряда с высокомолярным коэффициентом затухания и его применение в цветосенсибилизированных солнечных батареях
• ¹⁾Brian O’Regan & Michael Graetzel, Nature, 353 (24), 737—740 (24 October 1991).
• A. Kay, M. Gratzel, J. Phys. Chem. 97, 6272 (1993).
• G.P. Smestad, M. Gratzel, J. Chem. Educ. 75, 752 (1998).madarchod

Ссылки

• Солнечные батареи за бесценок — Интервью 2006 года с изобретателем Michael Gratzel для TechnologyReview
• Швейцарцы создали рекордные солнечные ячейки на красителях — Новая панель обладает зелёным оттенком — она поглощает участок спектра с наибольшей энергией.