Celula Grätzel

Câteva exemple de celule Grätzel

Celulele Grätzel (sau DSSC sau DSC , din celula solară engleză sensibilizată la colorant ) sunt anumite celule fotoelectrochimice formate din două pahare conductoare, care acționează ca electrozi, separați printr-un strat de dioxid de titan (TiO ₂ ), din materialul activ și din soluția de electroliți.

Au fost inventate în 1991 de Michael Grätzel și Brian O'Regan . ^[1]

Mecanismul de funcționare

Diagrama de funcționare a unei celule Grätzel

Materialul activ constă dintr-un colorant care transferă electroni în dioxid de titan după absorbția fotonilor . În ceea ce privește colorantul, moleculele extrase din sucul de zmeură și mure ^{[2] au fost folosite} , în special , antocianine care, după absorbția radiației luminoase, electronii injectati foto excitat într - un strat de TiO _2. Versiunile mai sofisticate și eficiente ale DSSC folosesc coloranți pe bază de molecule organice sintetice.

TiO ₂ este un semiconductor care permite trecerea luminii , folosit ca bază pe care se leagă un număr mare de molecule de colorant. Pentru a îmbunătăți performanța, stratul TiO ₂ este încălzit într-un cuptor pentru a forma o structură poroasă, pentru a crea o structură cu porozități nanometrice pentru a crește suprafața pe care se poate fixa vopseaua, mărind zona activă.

Soluția electrolitică , în general bazată pe iod (I ₂ ) și iodură de potasiu (KI), are sarcina de a permite transportul găurii electronice formate simultan cu emisia electronului atunci când molecula de colorant este lovită de un foton, în direcția contra electrodului . În acest fel, electronul pierdut prin oxidare este returnat la colorant și ciclul poate fi apoi repetat la nesfârșit.

Reacțiile procesului sunt următoarele:

2 coloranți + lumină → 2 coloranți excitați

2 coloranți excitați + TiO ₂ → 2 și ^- (TiO ₂ ) + 2 coloranți oxidați

2 coloranți oxidați + 3I ^- → 2 coloranți + ₃ I ^-

I ₃ ^- + 2 și ^- _{(contraelectrod)} → 3I ^-

Când celula este în funcțiune, lumina soarelui trece prin electrodul transparent superior, lovind colorantul depus pe suprafața TiO ₂ . Fotonii care lovesc vopseaua cu suficientă energie pentru a fi absorbiți creează o stare excitată a moleculei de vopsea, din care un electron poate fi „injectat” direct în banda de conducere TiO ₂ și de acolo se deplasează de-a lungul unui gradient de difuzie chimică către anod . Între timp, molecula de colorant a pierdut un electron și molecula se va descompune dacă nu i se mai furnizează un alt electron. Apoi vopseaua îndepărtează una din iodura (I ^- ) prezentă în soluția electrolitică, oxidând-o la o triiodură (I ^3- ).

Această reacție are loc destul de repede în comparație cu timpul necesar pentru electron injectat în TiO ₂ pentru a recombina cu molecula de colorant oxidat. În acest fel, se evită reacția de recombinare dintre colorantul oxidat și electron, ceea ce ar reduce puternic eficiența celulei solare. Triiodura își recuperează apoi electronul lipsă prin difuzarea către fundul celulei, unde contraelectrodul reintroduce electronii după ce au trecut prin circuitul extern.

Deci TiO ₂ acționează ca un acceptor de electroni, vopseaua organică este pompa electrochimică, în timp ce soluția de electroliți acționează ca un donator de electroni.

Eficienţă

Pentru a compara două celule fotoelectrochimice diferite, eficiența conversiei solare poate fi utilizată ca o cifră de merit , egală cu procentul din raportul puterii electrice produse în raport cu puterea luminoasă incidentă pe celulă.

Într-o zi senină, radiația solară la ecuator atinge o medie de 1000 W / m ² , ^[3] prin urmare un modul fotovoltaic de un metru pătrat cu o eficiență de 10%, poate produce aproximativ 100 W. Eficiența celulelor solare actuale variază de la 6% pentru cele bazate pe siliciu amorf până la 30% pentru prototipurile de laborator cu joncțiuni multiple cu siliciu cristalin. ^{[ necesită citare ]} ^[4]

În plus față de eficiență, comparația dintre două celule fotoelectrochimice trebuie efectuată pe costul materialelor utilizate; de fapt, celulele bazate pe materiale exotice precum arsenura de galiu sau selenura de indiu produc o putere electrică (de patru ori mai mare) decât o celulă comercială de siliciu amorf, dar au costuri mai mari, chiar de o sută de ori mai mari.

Puterea electrică este produsul curentului (Jsc) și al tensiunii (Voc), în timp ce eficiența cuantică este probabilitatea ca un foton cu o anumită energie să provoace eliberarea unui electron.

În ceea ce privește eficiența cuantică, celulele Grätzel sunt extrem de eficiente. Datorită grosimii nanostructurii există o probabilitate foarte mare ca un foton să fie absorbit. Mai mult, colorantul este foarte eficient în conversia unui foton într-un electron. Eficiența cuantică totală este de aproximativ 90%, unde 10% se datorează în principal pierderilor de conducere între TiO ₂ și electrod sau datorită pierderilor optice din electrodul frontal. Eficiența cuantică a celulelor tradiționale variază în funcție de grosimea lor, dar sunt destul de asemănătoare cu cele ale DSSC.

Tensiunea maximă generată de aceste celule, în teorie, este pur și simplu diferența dintre nivelul Fermi al TiO ₂ și potențialul redox al electrolitului, adică în jur de 0,7 V total (Voc). Prin urmare, dacă o celulă Grätzel este conectată la un voltmetru în modul circuit deschis, ar citi o valoare egală cu 0,7 V. În ceea ce privește tensiunea, DSSC-urile oferă un Voc ușor mai mare decât omologii din siliciu care se stabilesc la 0,6. V. Aceasta este o diferență foarte mică, deci diferențele substanțiale sunt date de producția curentă, adică Jsc.

Deși vopseaua este foarte eficientă în conversia fotonilor în electroni, numai acei electroni cu energie suficientă pentru a traversa golul benzii TiO ₂ vor duce la producția curentă. Acest decalaj de energie este puțin mai mare decât în celulele de siliciu, ceea ce înseamnă că mai puțini fotoni în lumina soarelui sunt utilizabili pentru generarea curentului. Mai mult, electrolitul limitează viteza la care moleculele de colorant își pot recâștiga electronii și pot deveni din nou disponibile pentru fotoexcitație. Acești factori limitează curentul generat de un DSSC. O celulă solară tradițională pe bază de siliciu oferă aproximativ 35 mA / cm ² , în timp ce curentul oferit de un DSSC este de aproximativ 20 mA / cm ² .

Combinat cu un factor de umplere (adică raportul procentual între puterea maximă realizabilă în practică și cea teoretică) de aproximativ 70%, vârful total al producției de energie pentru DSSC-urile actuale reprezintă o eficiență de conversie de aproximativ 11%, în cazul în care comerciale obișnuite low-cost panourile din siliciu funcționează între 12% și 15%. Celulele cu film subțire flexibile sunt de obicei de aproximativ 8%. Acest lucru face ca celulele Grätzel să fie extrem de atractive ca înlocuitor pentru tehnologiile existente pentru aplicații de „densitate redusă”, cum ar fi sistemele solare pe acoperiș. În prezent, acestea nu sunt la fel de interesante pentru utilizări pe scară largă, unde sunt utilizate celule mai scumpe și mai eficiente, dar creșteri mici ale eficienței de conversie a DSSC ar fi suficiente pentru a le face potrivite pentru unele dintre aceste roluri.

Cu toate acestea, există și o altă problemă practică de luat în considerare. Procesul de injectare a unui electron direct în TiO ₂ este diferit calitativ de ceea ce se întâmplă într-o celulă tradițională, unde electronul este promovat în cristalul original. În teorie, având în vedere o rată redusă de fotoni, în siliciu electronul de mare energie ar putea să se recombine cu propria gaură, returnând energia sub forma unui foton, deci fără a genera curent. Cu toate acestea, acest proces este puțin probabil, în timp ce recombinarea electronului fotoexcitat cu orificiul produs de o altă fotoexcitație este mai eficientă. Aceasta este una dintre limitele majore ale eficienței celulelor tradiționale.

În schimb, procesul de injecție utilizat în DSSC nu introduce o gaură în TiO _2, ci doar un electron suplimentar. Deși este energetic posibil ca electronul să se recombine din nou cu colorantul oxidat, probabilitatea ca acest lucru să se întâmple este destul de scăzută în comparație cu probabilitatea ca colorantul să recupereze un electron din electrolit. Acest lucru se datorează faptului că viteza celui de-al doilea proces este mult mai mare decât primul. Mai mult, recombinarea directă de la TiO2 _la electrolit nu este posibilă din cauza diferențelor de niveluri de energie. Prin urmare, recombinarea găurii-electronelor care afectează eficiența celulelor tradiționale nu este prezentă în DSSC.

Datorită acestor două caracteristici, adică pierderi reduse și lipsei de recombinare, DSSC funcționează chiar și în condiții de lumină scăzută. Prin urmare, DSSC-urile pot funcționa sub cer înnorat și nu sunt iluminate de lumină directă, atunci când celulele tradiționale suferă de o „decupare” la o anumită limită inferioară de iluminare: în acest caz există o mobilitate redusă a purtătorului de încărcare și astfel recombinarea devine o problemă importantă. „Limita” DSSC-urilor este atât de scăzută încât li s-a propus chiar să fie amplasate în interior , colectând energie de la luminile din casă, furnizând astfel energie dispozitivelor mici.

Singurul dezavantaj major al acestui design este utilizarea electrolitului lichid, care are probleme de stabilitate termică. La temperaturi scăzute, electrolitul se poate îngheța, blocând generarea de energie și provocând potențial vătămări fizice. În schimb, temperaturile ridicate determină expansiunea lichidului, ceea ce face o problemă la etanșarea panourilor. Înlocuirea electrolitului lichid cu un solid a fost unul dintre principalele aspecte ale cercetării de până acum, deoarece utilizarea unui electrolit solid elimină problemele menționate mai sus, dar scade dramatic eficiența totală de conversie și face celula non- panchromatică .

Cercetări asupra celulei lui Grätzel

Coloranții utilizați în primele celule experimentale DSSC (în jurul anului 1995) au fost sensibili doar la frecvențe înalte, în ultraviolet și albastru, adică la sfârșitul spectrului solar.

Au fost introduse rapid versiuni noi (în jurul anului 1999) care au avut un răspuns de frecvență mult mai larg, denumit „complex de triscarboxi-terpiridină Ru” [Ru (2,2 ', 2 "- (COOH) 3-terpy) (NCS) 3], eficient, de asemenea, în gama de frecvențe joase a luminii infraroșii și roșii. Răspunsul spectral larg are consecința faptului că colorantul se caracterizează prin faptul că are o culoare maro-negru închis și este pur și simplu numit "colorant negru". Acești coloranți au o probabilitate excelentă de conversie un foton într-un electron: inițial era de aproximativ 80%, dar datorită îmbunătățirilor în conversiile aproape perfecte ale coloranților mai noi, eficiența generală este de aproximativ 90%, cu 10% din pierderi datorate în principal pierderilor optice din partea superioară electrod.

O celulă solară trebuie să poată produce electricitate timp de cel puțin douăzeci de ani, fără o scădere semnificativă a eficienței (durata de viață a celulei). Sistemul de colorare „colorant negru” a fost supus la 50 de milioane de cicluri, ceea ce echivalează cu zece ani de expunere la soare în Elveția. Nu au fost observate scăderi semnificative în timpul experimentului. Cu toate acestea, acest colorant este supus unei defecțiuni electrice în condiții de intensitate ridicată a luminii.

În ultimul deceniu, a fost realizat un program extins de cercetare (încheiat în 2007) pentru remedierea acestei probleme. În timpul acestei lucrări, s-au depus eforturi pentru a găsi o serie de noi formulări de coloranți, în timp ce dezvoltarea „complexului Ru” a continuat. Astfel, s -a găsit tetracianoborat de 1-etil-3 metilimidazoliu [EMIB (CN) 4], care este extrem de ușor și stabil cu temperaturi variabile, cupru-diseleniu [Cu (In, GA) Se2], care oferă o eficiență mai mare, și alți compuși cu proprietăți diversificate în scopuri specifice.

Celulele Grätzel sunt încă la începutul ciclului lor de dezvoltare, de aceea este realist să ne așteptăm la o creștere a eficienței și a început recent un studiu mult mai amplu cu privire la posibilele îmbunătățiri ale celulei Grätzel. Aceasta include utilizarea punctelor cuantice pentru conversia luminii cu energie mai mare (adică frecvențe mai mari) în mai mulți electroni, utilizarea electroliților în stare solidă pentru un răspuns mai bun la temperatură și modificarea dopajului TiO ₂ pentru a se potrivi cel mai bine cu specificul electrolitul care este folosit.

În august 2006, a fost efectuat un experiment pentru a testa rezistența chimică și termică a celulei solare la 1-etil-3 metilimidazoliu tetracianoborat. Cercetătorii au supus celula la 80 ° C în întuneric timp de 1000 de ore, urmată de o baie ușoară de 60 ° C pentru aceeași perioadă de timp. După acest proces, s-a atins 90% din eficiența fotovoltaică inițială. Este pentru prima dată când se obține o astfel de stabilitate termică pentru un electrolit lichid care oferă o eficiență de conversie atât de mare. Spre deosebire de celulele solare din siliciu, ale căror randamente scad odată cu creșterea temperaturii, acest tip de celulă a fost neglijabil afectată atunci când temperatura a crescut de la ambiant la 60 ° C.

În aprilie 2007, Wayne Campbell de la Universitatea Massey din Noua Zeelandă a efectuat experimente pe o gamă largă de coloranți organici pe bază de porfirină . În natură, porfirina este elementul de bază al hemoproteinelor , care includ clorofila în plante și hemoglobina la animale. El a obținut eficiențe de aproximativ 7% folosind acești coloranți cu preț redus.

În iunie 2008, Michael Grätzel și colegii de la Academia Chineză de Științe au obținut eficiențe de 8,2% folosind un electrolit nou, complet, realizat din fuziunea a trei săruri. Deși eficiența cu acest electrolit este cu 11% mai mică decât cea obținută cu soluțiile existente pe bază de iod, echipa este încrezătoare că eficiența sa poate fi îmbunătățită în continuare. Rețineți că 8,2% este deja la egalitate cu eficiența majorității celulelor cu film subțire.

Industrializarea celulei Grätzel

Stadiul tehnicii a ceea ce industria din lume este capabilă să ofere pieței pe această temă este descris mai jos, indiferent dacă este deja o producție reală sau dacă este (și sunt majoritatea) proiectelor de dezvoltare a industrializării.

În prezent, cea mai avansată poziție pare să fie atribuită de compania australiană Dyesol, care a început deja producția modulelor în Grecia și Turcia. În acest produs, materialul organic este suplimentat cu dioxid de titan. Mai mult, până acum Dyesol produce „cantități experimentale” de DSSC de câțiva ani, în timp ce vinde și mijloacele chimice și componentele necesare pentru a permite altora să-și construiască propriile DSSC.

Proiectul de producție al Konarka Technologies implică în schimb utilizarea unui material de etanșare pentru a conține materialul electrolitic lichid într-o peliculă subțire. Pentru realizarea sa se folosește un proces similar cu cel industrial pentru filmul fotografic, obținându-se și în acest caz rulouri de material fotovoltaic. Arno Penzias , premiul Nobel pentru fizică, colaborează cu această soluție, iar Siemens participă și ea. În prezent, eficiența celulelor lor este scăzută, în jur de 5%, dar prețul de vânzare ar trebui să fie între 1 și 0,5 € / Wp.

Nanosolar a dezvoltat o celulă compusă dintr-un substrat flexibil, cu costuri reduse. Pe acest substrat se aplică o vopsea organică semiconductoare (în acest caz fără a fi nevoie de electrolitul lichid) cu un proces similar procesului de imprimare. Celulele fotovoltaice vin sub formă de suluri de material laminat. Eficiența este de 10% și declară că pot atinge timpul de rambursare (rambursarea energiei) în trei luni; obiectivul declarat este un preț mai mic de 1 € / Wp. Cu toate acestea, Nanosolar și-a închis activitatea în 2013.

STMicroelectronics, o companie italo-franceză, lider mondial în producția de semiconductori, consideră că este posibil să se producă sisteme fotovoltaice cu semiconductori organico-polimerici la un cost de 200 € / kWp: de douăzeci de ori mai puțin decât sistemele actuale de siliciu. Eficiența ar trebui să fie de 5-10% și, prin urmare, pentru a avea 1 kWe de vârf, aveți nevoie de 20 până la 10 m ² de suprafață fotovoltaică.

Cel mai recent proiect este dezvoltat la MIT, în colaborare cu alte centre de cercetare, și implică utilizarea cloroplastelor și proteinelor fotosintetice pentru producerea unei celule fotovoltaice cu eficiență ridicată (teoretic 70%, teste actuale 12%) și cu cost redus. mai mult de 0,1 € / kWp). Primul experiment este în mai 2004, dezvoltarea unei celule comerciale este de așteptat pe termen mediu (10-20 de ani).

În Italia, o linie de cercetare privind producția de celule solare Dye este dezvoltată de Universitatea din Tor Vergata (Roma), folosind un pigment, antociani , similar cu cel care caracterizează culoarea fructelor de pădure.

Pavilionul austriac de la Milano Expo 2015 a prezentat pentru prima dată în lume o instalație de panouri pe fațadă bazată pe celule Grätzel, 90 m ² de panouri produc aproximativ 24 kWh pe zi de energie ^[5] .