可以染料敏化太阳能电池与硅和新兴的替代品?菲利普Broadwith调查
1991年,Michael Gratzel和布莱恩·奥雷根从瑞士洛桑联邦理工学院的(EPFL)发表了一项具有里程碑意义的自然纸。它描述了一种染料太阳能电池(DSSC)可以与无机硅等材料。虽然染料电池的想法已经存在了几十年,他们的表现不佳让他们多一点学术好奇心。此后,DSSCs被称赞为潜在的廉价、灵活,色彩丰富的和可定制的太阳能收集器,Gratzel和奥雷根认为潜在的诺贝尔奖获得者。
虚假的偶像
然而,随着加文洛克来自澳大利亚DSSC公司DyeSol解释说,单独集中于效率没抓住要点。染料太阳能电池的硅是不同的。他们大能源发电机而不是大峰值功率发电机,”他说。
大型能源来自一个DSSC产生或多或少的恒压,洛克补充道。DSSCs不需要明亮的太阳,事实上,他们工作在斑纹或朦胧的光线条件下,“光的存在,人们实际生活,不是那种存在于沙漠的光”,他说。
与硅电池对入射光线的角度,非常敏感染料电池光在不同的角度,如在城市环境中可能会发生。“角度对我们是很好的,”洛克指出的那样,“如果你能让光子通过外面的透明层,然后角度越高越好,因为它有一个更好的机会触及染料分子。我们甚至把反映颗粒细胞周围的光线反弹和陷阱光子染料”。
2009年,DyeSol Queanbeyan他们澳大利亚总部进行了一项实验来比较他们的性能对硅和香烟DSSCs电池板面向垂直好像他们是在阳光明媚的北立面建筑(相当于北半球朝南立面),并显示DSSC产生更多的权力比硅30%左右和49%以上香烟在一个晴朗的日子,与更大的差异在多云或朦胧的天。
然而,洛克的无奈,说服投资者就是另一回事了。他们说:“哦,但是你的效率仅为5%,”之类的是8%。很难买到总能量产生更大。他们不想相信,因为他们已经教了过去的20年里,唯一重要的是效率,人工效率,测量在一个环境,我想说一天发生在春天的顶部的艾格尔峰”。
建筑作为发电厂
DyeSol一直致力于工程细胞,可以扩大模块将持续25 - 50年北欧户外。要做到这一点,他们依靠调整健壮iodide-triiodide电解质和钌染料,多年来一直DSSC的支柱技术。虽然这可能不会给他们破纪录的效率,它使可再生的和健壮的细胞。
与塔塔钢铁公司合作,该公司正在开发建筑光伏产品,如钢板包层模块包含DSSC的工业建筑。“他们意识到,他们所要做的就是开发一个刚刚发生的建筑产品,生产能力,而不是你穿上屋顶太阳能电池,”洛克说。“我们讨论的是将它们集成到公交候车亭在北威尔士,,没有其他工作,因为没有足够的阳光和一般湿;自然灾害或便携式厕所后,通常不会有灯光。塔塔主要感兴趣的是他们所称的“大物流”——仓库和工业建筑约10000 - 100000米2——这是一个小型发电厂。
劳动分工
然而,提高效率将进一步推高能源发电。为什么DSSCs效率没有增加它对其他技术一样快吗?亨利•史发展染料细胞牛津大学,英国,解释说,一个巨大的优势是DSSCs——这也是一个挑战是每个组件是独立的功能,原则上,这意味着他们可以独立优化函数(参见“剖析DSSC下面的解释的一个典型的DSSC的组件和它们的功能)。你不想要的是单一材料或单一组件扮演很多角色,“Snaith)说,“因为它将理想优化给最好的净效应,但不一定适合任何的个人角色。不过,另一方面,研究人员需要了解每个组件都是做什么。因为组件并不是孤立地工作,改变一件事可能意味着你需要调整其他的细胞得到充分受益。
例如,他补充道,在固态DSSCs,锂盐通常是添加到洞运输车因为它增加效率。但它实际上是两个角色,是优化的一个比另一个更低的浓度。”这意味着完全优化的太阳能电池,这是整体效率优化,功能都不是完美的。'如果你能单独的这两个函数与两个独立的组件,你应该能够得到更好、更高效的太阳能电池,“Snaith)总结道。
但正如尼古拉·Tetreault与Gratzel EPFL指出的那样,在过去的几年中,聚光染料和dye-regenerating电解质的发展已经开始再次推高的效率水平。有大转变有机金属钌染料对所有的有机感光剂,”他说。他还指出,人们使用的组合染料吸收光谱的不同部分,这意味着细胞可以产生更高的电流吸收更多的光子意味着刺激更多的电子。在我们最后的细胞有两种染料,”他说,“一个完全有机和一个基于锌卟啉。
另一个欧洲职业足球联盟集团,正在取代iodide-triiodide电解质存在于大多数DSSCs。这个混合物是高度腐蚀性,所以消除它有很多优点在细胞工程和寿命。但也有一大损失的能量当电子从电解液减少和重新生成氧化染料,“Tetreault说。“我们失去了约600 mv。切换到一个钴电解液能减少能量损失,使细胞产生高电压,因此更多的权力。
关键是组合,如Tetreault解释道。钴电解液是一个庞大的分子,它通过TiO的微孔扩散2层相当缓慢。但是如果你有一个染料可以收获更多的光,你可以让细胞更薄。然后你可以侥幸电解质扩散慢,最后得到的细胞使用一半的材料但具有相同或更高的效率。使用新的染料和电解质,我们已经能够达到13%的效率(0.5太阳),”他补充道。
太阳没有太阳
然而,这些新的染料和电解质有一些缺点——他们往往不会站起来的要求户外太阳能足够长的时间在商业上可行。户外的极端温度,以及变量和快速变化的光的水平,导致温度快速变化,”马克说索兰托从威尔士DSSC g24的制造商。“你在室内没有。”
我们的细胞在低光照水平的工作很好,”他说。日光灯是特别有效,因为它提出的光主要是在可见光谱,和我们使用的染料光谱响应接近人眼,如果光源是有利于人类的视觉,这对DSSC。”
无线键盘、电视遥控器、安全传感器,如亚马逊的Kindle电子阅读器使用低压电子纸显示器都是候选人的聚光能力。“删除需要电池或外部充电器腾出设计师在这些设备的形式,“斯普拉特补充道。
拉斯维加斯的米高梅大酒店,我们想把房间的窗帘换成遥控电动窗帘,g24,提供了解决方案。“安装传统电动百叶窗将涉及追逐电线穿过墙壁,这将花费450万美元在5000间客房,“斯普拉特说。所以DSSC-powered系统指控电池在盲人对他们来说是一个非常大的成本节约。他们使用我们的技术,因为windows严重着色,因此光比外面的水平要低得多。”
清除路障
但对于奥雷根,现在在伦敦帝国理工学院,英国面临的挑战是不要试着挤出几个百分点的性能设计新的细胞,但是掌握一些基本过程发生在细胞内,这可能会把未来发展的严重障碍。尽管已经完成的所有工作DSSCs过去20年,他说,仍有一些基本问题的细胞是如何工作的,我们只是刚刚开始进行调查。
这是另一个理由摆脱仅注重效率。“我们不赚到足够的测量,”他说。的细胞很少有超过一个粗略1太阳”“这是效率。这风险失踪的性能优势在不同的光线条件下,或者过早否定想法可以解决其他的问题没有出现从效率测量。它也给很少的了解过程是阻碍努力提高性能。“这都是关于测量的信息更加广泛,“他补充说。
的一个可能的障碍问题是电子注入——当激动的染料分子,吸收一个光子,一个电子转移TiO2层。“没有人认真地试图评估注入,因为每个人都流,他们已经找到了飞秒注入和以为这都是这样的,所以没有必要。我们发现有一个大的异质性的速率常数,”奥雷根说。人们不喜欢思考异质性。他们喜欢给一个时间常数。
奥雷根的团队现在已经测量表明有很大分数注入发生的时间尺度从约1.5 ns几飞秒。“这是非常糟糕的,”他说,“因为当你试图从事情中提取更多的能量,你总是缓慢的利率下降。如果你有一个细胞只有飞秒注入,你会立即开始改变材料中提取更多的能量,在这种情况下,你慢下来一点,但是没关系。但你做不到,如果你也有注射纳秒时间,因为如果你慢下来微秒的时间,你完全失去它。”
一种解释注入率的异质性,奥雷根表示的电子必须跳入TiO的距离2。如果一个连着TiO染料分子2在用另一种方式或另一种方式是保税,或者它连着一小块不知怎么到的硅表面,这将是远,所以注射会慢一些。”不过,他很快指出,还有其他几种可能的解释的变异,这绝不是一个解决问题。关键是如何与细胞的性能。“我怀疑的是,这可能是部分原因很好和不好细胞之间的区别,”他说,指的是这一事实可以有很多变化的性能,甚至在不同的细胞完全相同的方式。“即使是最好的组织输出的变化,”他补充说。
展望未来
虽然奥雷根认为提高效率进展速度还不够快,他也相信可以制造更高效染料电池,即使有一些根本性的障碍要克服。“这一切都取决于获取红外染料和电解质染料,”他说。但因为每个人都认为注射非常快,人们没有重视他们自己制造染料的发光寿命。如果你想从任何系统提取的最大能量,它必须有一个长寿命。”他解释说,有红外染料与合理的一生,“但他们并不是真的被推在那个方向,除了在其他领域的人——在医学成像,人们观察染料具有高发光效率,而且幸运的是,这正是一样的长寿命。
染料太阳能道路是否会导致斯德哥尔摩还有待观察,但很明显,DSSCs开始发现他们的脚和硅的堂兄弟。未来几年将是激动人心的学术和工业球员,正如g24的索兰托指出的那样:“我们现在处于——我们真的开始。”
菲利普Broadwith
剖析DSSC
当染料兴奋通过吸收一个光子,它注入一个电子TiO2层,在那里进行。防止氧化染料分解,它需要被替换再生失去电子。这个电子是由细胞的第三主成分:电解液。液体在许多细胞,这是一个解决方案,但由于泄漏的潜在问题,正在努力找到固态等价物。这些被称为空穴传输材料,再生使用的电子染料留下了带正电荷的“洞”的材料,而啤酒花从分子分子回相反的电极加一个电子。大多数DSSCs使用基于iodide-triiodide电解质(我- - - - - --我3- - - - - -)氧化还原电对的。
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