Сравнительное изучение наноматериалов в условиях их работы в составе цветосенсибилизированных и перовскитных солнечных батарей

Аннотация

Исследованы перспективы создания фотоэлектрохимических преобразователей солнечной энергии или солнечных элементов на базе цветосенсибилизированных широкозонных полупроводников и перовскитов. Рассмотрены возможная конструкция, материалы и технологии, необходимые для создания таких преобразователей. На основании изучения многочисленных литературных данных показано, что в качестве фотоанода целесообразно применять сенсибилизированный мезопористый диоксид титана. Пленка мезопористого диоксида титана имеет развитую поверхность и, соответственно, большую поверхность для адсорбции сенсибилизатора. Исследованы медиаторные системы, которые являются одними из ключевых компонентов фотоэлектрохимической ячейки, их характеристики оказывают существенное влияние на эффективность и стабильность устройств в целом, а также электрокатализаторы, необходимые для регенерации окисленного медиаторного компонента. Цветосенсибилизированные солнечные элементы на мезопористых полупроводниках вызывают все больший интерес, поскольку имеют относительно низкую стоимость, простую технологию производства и высокую эффективность преобразования солнечного света. Исследованы перовскиты --- группа материалов со схожей кристаллической структурой, способных составить конкуренцию традиционным кремниевым солнечным элементам вследствие гибкости, низкой стоимости пленок и относительной простоте производственного процесса. Фотоэлектрохимические преобразователи на основе цветосенсибилизированных широкозонных полупроводников и перовскитов интересны с позиции практики как альтернатива традиционной кремниевой технологии

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Нижниковский Е.А. Сравнительное изучение наноматериалов в условиях их работы в составе цветосенсибилизированных и перовскитных солнечных батарей. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2022, № 5 (104), с. 139--158. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2022-5-139-158

Литература

[1] Chapin D.M., Fuller C.S., Pearson G.L. A new silicon p--n junction photocell for converting solar radiation into electrical power. J. Appl. Phys., 1954, vol. 25, iss. 5, art. 676. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1721711

[2] Gerischer H., Michel-Beyerle M.E., Rebentrost F., et al. Sensitization of charge into semiconductors with large band gap. Electrochim. Acta, 1968, vol. 13, iss. 6, art. 1509. DOI: https://doi.org/10.1016/0013-4686(68)80076-3

[3] O’Regan B.O., Gratzel M. A low-cost, high-efficientcy solar-cell based on dye sensitized colloidal TiO₂ films. Nature, 1991, vol. 353, pp. 737--740. DOI: https://doi.org/10.1038/353737a0

[4] Yella A., Lee H.-W., Tsao H.N., et al. Porphyrin-sensitized solar cells with cobalt (II/III)--based redox electrolyte exceed 12 percent efficiency. Science, 2011, vol. 334, no. 6056, pp. 629--634. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1209688

[5] Green M.A., Emery Y.H.K., Warta W., et al. Solar cell efficiency tables. Prog. Photovolt., 2012, vol. 20, iss. 1, pp. 12--20. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/pip.2163

[6] Haque S.A., Tachibana Ya., Willis R.L., et al. Parameters influencing charge recombination kinetics in dye-sensitized nanocrystalline titanium dioxide films. J. Phys. Chem. B, 2000, vol. 104, iss. 3, pp. 538--547. DOI: https://doi.org/10.1021/jp991085x

[7] Enache-Pommer E., Liu B., Aydil E.S. Electron transport and recombination in dye-sensitized solar cells made from single-crystal rutile TiO₂ nanowires. Phys. Chem. Chem. Phys., 2009, vol. 11, pp. 9648--9652. DOI: https://doi.org/10.1039/B915345D

[8] Fujihara K., Kumar A., Jose R., et al. Spray deposition of electrospun TiO₂ nanorods for dye-sensitized solar cell. Nanotechnology, 2007, vol. 18, no. 36, art. 365709. DOI: https://doi.org/10.1088/0957-4484/18/36/365709

[9] Lee J., Kim S., Jang J., et al. Verification and mitigation of ion migration in perovskite solar cells. APL Mater., 2019, vol. 7, iss. 4, art. 041111. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5085643

[10] Sauvage F., Chen D., Comte P., et al. Dye-sensitized solar cells employing a single film of mesoporous TiO₂ beads achieve power conversion efficiencies over 10 %. ACS Nano, 2010, vol. 4, iss. 8, pp. 4420--4425. DOI: https://doi.org/10.1021/nn1010396

[11] Durrant J., Haque S. A solid compromise. Nature Mater., 2003, vol. 2, pp. 362--363. DOI: https://doi.org/10.1038/nmat914

[12] Watson D.F., Meyer G.J. Cation effects in nanocrystalline solar cells. Coord. Chem. Rev., 2004, vol. 248, iss. 13-14, pp. 1391--1406. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ccr.2004.02.015

[13] Yella A., Lee H.-W., Tsao H.N., et al. Porphyrin-sensitized solar cells with cobalt (II/III)-based redox electrolyte exceed 12 percent efficiency. Science, 2011, vol. 334, no. 6056, pp. 629--634. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1209688

[14] Cameron P.J., Peter L.M. Characterization of titanium dioxide blocking layers in dye-sensitized nanocrystalline solar cells. J. Phys. Chem. B, 2003, vol. 107, iss. 51, pp. 14394--14400. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/jp030790+

[15] Bach U., Lupo D., Comte P., et al. Solid-state dye-sensitized mesoporous TiO₂ solar cells with high photon-to-electron conversion efficiencies. Nature, 1998, vol. 395, pp. 583--585. DOI: https://doi.org/10.1038/26936

[16] Chen P., Brillet J., Bala H., et al. Solid-state dye-sensitized solar cells using TiO₂ nanotube arrays on FTO glass. J. Mater. Chem., 2009, vol. 19, iss. 30, pp. 5325--5328. DOI: https://doi.org/10.1039/B905196A

[17] Burschka J., Dualeh A., Kessler F., et al. Tris(2-(1H-pyrazol-1-yl)pyridine)cobalt(III) as p-type dopant for organic semiconductors and its application in highly efficient solid-state dye-sensitized solar cells. J. Am. Chem. Soc., 2011, vol. 133, iss. 45, pp. 18042--18045. DOI: https://doi.org/10.1021/ja207367t

[18] Yin J.-F., Velayudham M., Bhattacharya D., et al. Structure optimization of ruthenium photosensitizers for efficient dye-sensitized solar cells --- a goal toward a "bright" future. Coord. Chem. Rev., 2012, vol. 256, iss. 23-24, pp. 3008--3035. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ccr.2012.06.022

[19] Nazeeruddin M.K., Pechy P., Renouard T., et al. Engineering of efficient panchromatic sensitizers for nanocrystalline TiO₂-based solar cells. J. Am. Chem. Soc., 2001, vol. 123, iss. 8, pp. 1613--1624. DOI: https://doi.org/10.1021/ja003299u

[20] Feldt S.M., Gibson E.A., Gabrielsson E., et al. Design of organic dyes and cobalt polypyridine redox mediators for high-efficiency dye-sensitized solar cells. J. Am. Chem. Soc., 2010, vol. 132, iss. 46, pp. 16714--16724. DOI: https://doi.org/10.1021/ja1088869

[21] Yang W.S., Noh J.H., Jeon N.J., et al. High-performance photovoltaic perovskite layers fabricated through intramolecular exchange. Science, 2015, vol. 348, no. 6240, pp. 1234--1237. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aaa9272

[22] Mitzi D.B., Field C.A., Harrison W.T.A., et al. Conducting tin halides with a layered organic-based perovskite structure. Nature, 1994, vol. 369, pp. 467--469. DOI: https://doi.org/10.1038/369467a0

[23] Takagahara T., Takeda K. Theory of the quantum confinement effect on excitons in quantum dots of indirect-gap materials. Phys. Rev. B, 1992, vol. 46, iss. 23, art. 15578. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.46.15578

[24] Kojima A., Teshima K., Shirai Y., et al. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic. Cells. J. Am. Chem. Soc., 2009, vol. 131, iss. 17, pp. 6050--6051. DOI: https://doi.org/10.1021/ja809598r

[25] Lee M.M., Teuscher J., Miyasaka Ts., et al. Efficient hybrid solar cells based on meso-superstructured organometal halide perovskites. Science, 2012, vol. 338, no. 6107, pp. 643--647. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1228604

[26] Etgar L., Gao P., Xue Zh., et al. Mesoscopic CH₃NH₃PbI₃/TiO₂ heterojunction solar cells. J. Am. Chem. Soc., 2012, vol. 134, pp. 17396--17399. DOI: https://doi.org/10.1021/ja307789s

[27] Гринберг В.А., Медведько А.В., Емец В.В. и др. Циклометаллированный комплекс рутения как перспективный сенсибилизатор фотоэлектрохимических преобразователей. Электрохимия, 2014, т. 50, № 6, с. 563--569. DOI: https://doi.org/10.7868/S042485701406005X