خلية شمسية ذات حساسية عالية

خلية شمسية ذات حساسية لصبغة (DSSC ، DSC ، DYSC أو خلية Grätzel) هي خلية شمسية منخفضة التكلفة تنتمي إلى مجموعة الخلايا الشمسية الرقيقة. ويستند إلى أشباه موصلات تكونت بين أنود حساس للصور وكهرل إلكتروليت ، وهو نظام ضوئي كيميائي ضوئي. النسخة الأصلية لخلية صبغية شمسية ، تُعرف أيضًا باسم خلية Grätzel ، تم اختراعها في الأصل عام 1988 بواسطة Brian O’Regan و Michael Grätzel في جامعة كاليفورنيا Berkeley ، وتم تطوير هذا العمل لاحقًا بواسطة العلماء المذكورين أعلاه في مدرسة Polytechnique Fédérale de لوزان حتى نشر أول DSSC عالية الكفاءة في عام 1991. وقد حصل مايكل Grätzel على جائزة تكنولوجيا الألفية لعام 2010 لهذا الاختراع.

لدى DSSC عدد من الميزات الجذابة ؛ من السهل استخدام تقنيات الطباعة التقليدية ، وهي شبه مرنة وشبه شفافة والتي توفر مجموعة متنوعة من الاستخدامات غير القابلة للتطبيق على الأنظمة القائمة على الزجاج ، ومعظم المواد المستخدمة منخفضة التكلفة. من الناحية العملية ، ثبت أنه من الصعب القضاء على عدد من المواد باهظة الثمن ، لا سيما البلاتين والروثينيوم ، ويمثل السائل المنحل بالكهرباء تحديًا خطيرًا لإنشاء خلية مناسبة للاستخدام في جميع الأحوال الجوية. على الرغم من أن كفاءة التحويل أقل من أفضل الخلايا الرقيقة ، فمن الناحية النظرية يجب أن تكون نسبة السعر / الأداء جيدة بما يكفي للسماح لها بالتنافس مع توليد الطاقة الأحفوري من خلال تحقيق التكافؤ الشبكي. ومن المتوقع أن تسهم التطبيقات التجارية ، التي تم تعليقها بسبب مشاكل الاستقرار الكيميائي ، في خريطة طريق الاتحاد الأوروبي الضوئية في المساهمة بشكل كبير في توليد الكهرباء المتجددة بحلول عام 2020.

التكنولوجيا الحالية: الخلايا الشمسية أشباه الموصلات
في أشباه الموصلات التقليدية ذات الحالة الصلبة ، تصنع خلية شمسية من بلورات مخضبة ، أحدها مخدر بشوائب من النوع n (أشباه الموصلات من النوع n) ، والتي تضيف إلكترونات نطاق توصيل حر ، والأخرى مخدومة بشوائب من النوع p ( نوع أشباه الموصلات من نوع p) ، والتي تضيف ثقوب إلكترون إضافية. عند وضعه في وضع التلامس ، تتدفق بعض الإلكترونات في الجزء n من النوع إلى النوع p “لتعبئة” الإلكترونات المفقودة ، والمعروفة أيضًا باسم ثقوب الإلكترون. في نهاية المطاف سوف تتدفق الإلكترونات بما يكفي عبر الحدود لتعادل مستويات Fermi من المادتين. والنتيجة هي منطقة في الواجهة ، نقطة اتصال pn ، حيث يتم استنفاد ناقلات الشحن و / أو تراكمها على كل جانب من جوانب الواجهة. في السيليكون ، ينتج عن نقل الإلكترونات حاجزًا محتملًا يتراوح من 0.6 إلى 0.7 فولت.

عندما توضع في ضوء الشمس ، يمكن للفوتونات من أشعة الشمس تثير الإلكترونات على الجانب من نوع p من أشباه الموصلات ، وهي عملية تعرف باسم التصوير الضوئي. في السليكون ، يمكن لأشعة الشمس توفير طاقة كافية لدفع إلكترون خارج نطاق تكافؤ الطاقة المنخفضة إلى نطاق توصيل الطاقة الأعلى. كما يوحي الاسم ، فإن الإلكترونات في نطاق التوصيل تكون حرة في التحرك نحو السيليكون. عندما يتم وضع الحمولة عبر الخلية ككل ، سوف تتدفق هذه الإلكترونات من الجانب من النوع p إلى الجانب من النوع n ، وتفقد الطاقة أثناء التحرك من خلال الدائرة الخارجية ، ثم تتدفق مرة أخرى إلى المادة من النوع p حيث يمكنهم مرة أخرى إعادة الدمج مع حفرة الفرقة التكافلية التي تركوها وراءهم. بهذه الطريقة ، يخلق ضوء الشمس تيارًا كهربائيًا.

في أي شبه موصِّل ، تعني فجوة النطاق أن الفوتونات التي تحتوي على هذا المقدار من الطاقة فقط ، أو أكثر ، ستساهم في إنتاج تيار. في حالة السيليكون ، فإن معظم الضوء المرئي من الأحمر إلى البنفسجي لديه طاقة كافية لتحقيق ذلك. ولسوء الحظ ، فإن فوتونات الطاقة الأعلى ، تلك الموجودة في الطرف الأزرق والبنفسجي من الطيف ، لديها طاقة أكثر من كافية لعبور فجوة النطاق ؛ على الرغم من أن بعض هذه الطاقة الإضافية يتم نقلها إلى الإلكترونات ، فإن معظمها يهدر كحرارة. هناك مشكلة أخرى وهي أنه من أجل الحصول على فرصة معقولة لالتقاط الفوتون ، يجب أن تكون الطبقة من النوع n سميكة إلى حد ما. وهذا يزيد أيضًا من احتمال أن يلتقي الإلكترون المنبعث حديثًا مع ثقب تم إنشاؤه سابقًا في المادة قبل الوصول إلى تقاطع pn. تنتج هذه التأثيرات حدًا أعلى من كفاءة خلايا السليكون الشمسية ، حاليًا حوالي 12 إلى 15٪ للوحدات الشائعة وما يصل إلى 25٪ لأفضل الخلايا المختبرية (33.16٪ هي أقصى كفاءة نظرية للخلايا الشمسية ذات الفجوة المفردة ، انظر Shockley الحد الأقصى.).

المشكلة الأكبر في النهج التقليدي هي التكلفة. وتتطلب الخلايا الشمسية طبقة سميكة نسبيا من السليكون المخصب للحصول على معدلات التقاط فوتونية معقولة ، ومعالجة السيليكون باهظة الثمن. لقد كان هناك عدد من الطرق المختلفة لتخفيض هذه التكلفة على مدى العقد الماضي ، لا سيما مقاربات الأفلام الرقيقة ، ولكن حتى الآن شهدت تطبيقات محدودة بسبب مجموعة متنوعة من المشاكل العملية. كان هناك خط بحث آخر لتحسين الكفاءة بشكل كبير من خلال نهج التقاطع المتعدد ، على الرغم من أن هذه الخلايا عالية التكلفة للغاية ومناسبة فقط لعمليات النشر التجارية الكبيرة. بشكل عام ، لم تتغير أنواع الخلايا المناسبة لنشر الأسطح بشكل ملحوظ في الكفاءة ، على الرغم من أن التكاليف قد انخفضت إلى حد ما بسبب زيادة العرض.

الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة
في أواخر 1960s تم اكتشاف أن الأصباغ العضوية المضيئة يمكن أن تولد الكهرباء في الأقطاب الأكسيدية في الخلايا الكهروكيميائية. في محاولة لفهم ومحاكاة العمليات الأولية في عملية التمثيل الضوئي تمت دراسة هذه الظاهرة في جامعة كاليفورنيا في بيركلي باستخدام الكلوروفيل المستخلص من السبانخ (المقاربة البيولوجية أو المحاكاة البيولوجية). على أساس هذه التجارب ، تم عرض وتوليد توليد الطاقة الكهربائية عبر مبدأ الخلية الشمسية لتوعية الصبغة (DSSC) في عام 1972. وقد تم تحديد عدم ثبات الخلية الشمسية الصبغة كتحدي رئيسي. يمكن تحسين كفاءته خلال العقدين التاليين من خلال تحسين مسامية القطب الذي تم تحضيره من مسحوق أكسيد ناعم ، ولكن ظل عدم الاستقرار يمثل مشكلة.

ويتكون نظام DSSC الحديث من طبقة مسامية من جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم ، مغطاة بصبغة جزيئية تمتص أشعة الشمس ، مثل الكلوروفيل في الأوراق الخضراء. ينغمس ثاني أكسيد التيتانيوم تحت محلول إلكتروليتي ، فوقها محفز قائم على البلاتين. كما هو الحال في البطاريات القلوية التقليدية ، يتم وضع الأنود (ثاني أكسيد التيتانيوم) والكاثود (البلاتين) على جانبي الموصل السائل (الإلكتروليت).

يمر ضوء الشمس عبر القطب الشفاف إلى طبقة الصبغة حيث يمكنه إثارة إلكترونات تتدفق بعد ذلك إلى ثاني أكسيد التيتانيوم. تتدفق الإلكترونات نحو القطب الشفاف حيث يتم جمعها لتزويد الحمل بالطاقة. بعد التدفق من خلال الدائرة الخارجية ، يتم إعادة إدخالها إلى الخلية على قطب معدني على الظهر ، تتدفق إلى المنحل بالكهرباء. ثم ينقل الإلكتروليت الإلكترونات إلى جزيئات الصبغ.

وتفصل الخلايا الشمسية المتولدة عن الصباغة الوظيفتين اللتين يوفرهما السيليكون في تصميم الخلية التقليدي. عادة يعمل السليكون كمصدر للإلكترونات الضوئية ، بالإضافة إلى توفير المجال الكهربائي لفصل الشحنات وإنشاء تيار. في الخلية الشمسية ذات الصبغة ، يتم استخدام الجزء الأكبر من أشباه الموصلات فقط لنقل الشحنة ، ويتم توفير الإلكترونات الضوئية من صبغة ضوئية منفصلة. يحدث فصل الشحن على الأسطح بين الصبغة وأشباه الموصلات والكهارل.

جزيئات الصبغة صغيرة جدا (بحجم النانومتر) ، لذلك من أجل التقاط كمية معقولة من الضوء الوارد ، يجب أن تكون طبقة جزيئات الصبغة سميكة إلى حد كبير ، أكثر كثافة من الجزيئات نفسها. لمعالجة هذه المشكلة ، يتم استخدام مادة متناهية الصغر كسقالة لإمساك أعداد كبيرة من جزيئات الصبغة في مصفوفة ثلاثية الأبعاد ، مما يزيد من عدد الجزيئات لأي منطقة سطح من الخلية. في التصاميم الحالية ، يتم توفير هذه السقالات بواسطة مادة أشباه الموصلات ، والتي تخدم العمل المزدوج.

اعمال بناء
في حالة تصميم Grätzel و O’Regan الأصلي ، تحتوي الخلية على 3 أجزاء أساسية. في الأعلى يوجد أنود شفاف مصنوع من ثاني أكسيد القصدير المشبع بالفلوريد (SnO2: F) يترسب على الجزء الخلفي من صفيحة (زجاجية عادة). على الجزء الخلفي من هذه اللوحة الموصلة هي طبقة رقيقة من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) ، والتي تتشكل في بنية مسامية للغاية مع مساحة سطح عالية للغاية. يرتبط (TiO2) كيميائيًا بعملية تسمى التلبد. لا يمتص TiO2 سوى جزء صغير من الفوتونات الشمسية (تلك الموجودة في الأشعة فوق البنفسجية). ثم يتم غمس الصفيحة في خليط من صبغة روثينيوم-بوليبيريدين حساس للضوء (وتسمى أيضا محسسات جزيئية) ومذيب. بعد نقع الفيلم في محلول الصبغة ، يتم ترك طبقة رقيقة من الصبغة مرتبطة تساهميًا بسطح TiO2. السندات إما إستر ، أو خالب ، أو سد ترابط briedate.

ثم تصنع صفيحة منفصلة بطبقة رقيقة من إلكترود اليوديد منتشرة على صفائح موصلة ، وهي عادة معدن البلاتين. ثم يتم ضم الصفحتين وإحكامهما معاً لمنع تسرب الكهارل. البناء بسيط بما فيه الكفاية أن هناك مجموعات هواية متاحة لبناء يدها. على الرغم من أنها تستخدم عددًا من المواد “المتقدمة” ، إلا أنها غير مكلفة مقارنة بالسيليكون اللازم للخلايا العادية لأنها لا تتطلب خطوات تصنيع باهظة الثمن. على سبيل المثال ، يستخدم TiO2 على نطاق واسع كقاعدة للطلاء.

تستخدم إحدى أجهزة DSSCs الفعالة الصبغة الجزيئية المستندة إلى الروثنيوم ، على سبيل المثال [Ru (4،4′-dicarboxy-2،2′-bipyridine) 2 (NCS) 2] (N3) ، التي ترتبط بشريط مصور عبر شقوق carboxylate . يتألف الفانود الضوئي من غشاء سميك 12 ميكرومتر من 10-120 نانومتر شفاف قطره TiO2 مغطى بغشاء سميك 4 ميكرومتر من جسيمات أكبر بكثير (400 نانومتر) التي تبعثر الفوتونات مرة أخرى في الفيلم الشفاف. تسرع الصبغة المستثارة بسرعة الإلكترون في TiO2 بعد امتصاص الضوء. ينتشر الإلكترون المحقون من خلال شبكة الجسيمات الملبدة التي يتم جمعها في القطب الأمامي للأكاسيد الشفاف (TCO) الأمامي ، في حين يتم إعادة توليد الصبغة عبر التخفيض بواسطة مكوك الإكسدة I3 / I ، الذي تم إذابته في محلول. إنتشار الشكل المؤكسد للمكوك إلى القطب المضاد يكمل الدائرة.

آلية DSSCs
العمليات الرئيسية التي تحدث في DSSC

الخطوة 1: الخطوات الأساسية التالية هي تحويل الفوتونات (الضوء) إلى التيار:

يمتص الفوتون الحادث بواسطة محسنات ضوئية معقدة من Ru تمتز على سطح TiO2.
يتم تحفيز محسسات الحساسية من الحالة الأرضية (S) إلى الحالة المثارة (S ∗). يتم حقن الإلكترونات المثارة في نطاق التوصيل الكهربائي للتيار الكهربائي TiO2. هذا يؤدي إلى أكسدة المحسسات الضوئية (S +).

S + hν → S ∗ (1)

(2)

يتم نقل الإلكترونات المحقونة في نطاق التوصيل من TiO2 بين الجسيمات النانوية TiO2 مع الانتشار نحو الاتصال الخلفي (TCO). وتصل الإلكترونات أخيراً إلى القطب المضاد من خلال الدائرة.
يقبل المحسسات الضوئية المؤكسدة (S +) الإلكترونات من وسيط Ioion الأكسدة مما يؤدي إلى تجديد الحالة الأرضية (S) ، ويتم أكسجين اثنين من I-Ions إلى اليود الأولي الذي يتفاعل مع I− مع الحالة المؤكسدة I3−.
S + + e− → S (3)

ينتقل وسيط الأكسدة المؤكسد ، I3− ، نحو القطب المضاد ثم يتم تصغيره إلى أيونات.
I3− + 2 e− → 3 I− (4)

تعتمد كفاءة DSSC على أربعة مستويات طاقة للمكون: الحالة المثارة (تقريباً LUMO) والحالة الأرضية (HOMO) لمحلل الحساسية ، ومستوى Fermi من القطب TiO2 وإمكانية اختزال الوسيط (I− / I3−) في المنحل بالكهرباء.

مورفولوجيا تشبه Nanoplant
في DSSC ، تتألف الأقطاب الكهربائية من جسيمات متناهية الصغر شبه الموصلة الملبدة ، أساسا TiO2 أو ZnO. تعتمد أنظمة DSSCs النانوية هذه على الانتشار المحدود للصيد من خلال الجسيمات النانوية شبه الموصلة لنقل الإلكترون. هذا يحد من كفاءة الجهاز لأنه آلية نقل بطيئة. من المرجح أن يحدث إعادة التركيب عند أطوال موجية أطول من الإشعاع. علاوة على ذلك ، يتطلب تلبيد الجسيمات النانوية درجة حرارة عالية تبلغ حوالي 450 درجة مئوية ، مما يقيد تصنيع هذه الخلايا إلى ركائز صلبة متينة صلبة. وقد ثبت أن هناك زيادة في كفاءة DSSC ، إذا تم استبدال القطب النانوي الملبد الملبد بواسطة قطب مصمم خصيصا تمتلك مورفولوجيا غريبة مثل “تشبه nanoplant”.

عملية
يدخل ضوء الشمس الخلية من خلال الاتصال الشفاف SnO2: F العلوي ، وضرب الصبغة على سطح TiO2. تعمل الفوتونات على ضرب الصبغة بما يكفي من الطاقة ليتم امتصاصها مما يخلق حالة متحمس من الصبغة ، والتي يمكن من خلالها حقن “الإلكترون” مباشرة في نطاق التوصيل في TiO2. ومن هناك يتحرك بالانتشار (نتيجة لتدرج تركيز الإلكترون) إلى أنود واضح في الأعلى.

في هذه الأثناء ، فقد جزيء الصبغة إلكترونًا ، وسوف يتحلل الجزيء إذا لم يتم توفير إلكترون آخر. تصبغ الصبغة واحدًا من اليوديد في المنحل بالكهرباء تحت TiO2 ، مما يؤدي إلى أكسدته إلى ثلاثة أضلاع. يحدث هذا التفاعل بسرعة كبيرة مقارنة بالوقت الذي يستغرقه الإلكترون المحقون لإعادة التزاوج مع جزيء الصبغة المؤكسد ، مما يمنع تفاعل إعادة التركيب هذا الذي سيؤدي إلى قصر الدائرة الشمسية على نحو فعال.

ﺛﻢ ﻳﺴﺘﻌﻴﺪ ﺛﻼﺛﻲ اﻟﻴﺪﻳﺪ إﻳﻜﺮوﻧﻪ اﻟﻤﻔﻘﻮد ﺑﻮاﺳﻄﺔ اﻻﻧﺘﺸﺎر ﻣﻴﻜﺎﻧﻴﻜﻴﺎً إﻟﻰ أﺳﻔﻞ اﻟﺨﻠﻴﺔ ﺣﻴﺚ ﻳﻘﻮم اﻟﻘﻄﺐ اﻟﻤﻀﺎد ﺑﺈﻋﺎدة إدﺧﺎل اﻹﻟﻜﺘﺮوﻧﺎت ﺑﻌﺪ ﺗﺪﻓﻘﻪ ﻣﻦ ﺧﻼل اﻟﺪاﺋﺮة اﻟﺨﺎرﺟﻴﺔ.

نجاعة
يتم استخدام العديد من التدابير الهامة لتمييز الخلايا الشمسية. والأكثر وضوحا هو الكمية الإجمالية من الطاقة الكهربائية المنتجة لكمية معينة من الطاقة الشمسية التي تسطع على الخلية. معبرا عنها كنسبة مئوية ، وهذا ما يعرف باسم كفاءة التحويل الشمسي. الطاقة الكهربائية هي نتاج التيار والجهد ، وبالتالي فإن القيم القصوى لهذه القياسات مهمة أيضًا ، JSC و Voc على التوالي. وأخيرًا ، من أجل فهم الفيزياء الأساسية ، يتم استخدام “الكفاءة الكمية” لمقارنة احتمال أن ينتج فوتون واحد (من طاقة معينة) إلكترونًا واحدًا.

في شروط الكفاءة الكمية ، DSSCs فعالة للغاية. وبسبب “عمقها” في البنية النانوية ، توجد فرصة كبيرة للغاية لامتصاص الفوتون ، والأصباغ فعالة للغاية في تحويلها إلى الإلكترونات. معظم الخسائر الصغيرة الموجودة في DSSC ترجع إلى خسائر التوصيل في TiO2 والقطب الواضح ، أو الخسائر البصرية في القطب الأمامي. تبلغ الكفاءة الكلية للضوء الأخضر حوالي 90٪ ، مع “خسارة” 10٪ يتم حسابها بشكل كبير من خلال الخسائر البصرية في القطب العلوي. تختلف الكفاءة الكمية للتصاميم التقليدية ، اعتمادًا على سماكتها ، ولكنها تتشابه تمامًا مع DSSC.

من الناحية النظرية ، فإن الحد الأقصى للجهد الذي تولده هذه الخلية هو ببساطة الفرق بين مستوى (شبه) فيرمي من TiO2 وإمكانات الأكسدة للإلكتروليت ، حوالي 0.7 فولت تحت ظروف الإضاءة الشمسية (Voc). بمعنى ، إذا كان DSSC مضاءً متصلاً بفولتميتر في “دائرة مفتوحة” ، فإنه يقرأ حوالي 0.7 فولت. من حيث الجهد ، تقدم DSSCs Voc أعلى قليلاً من السيليكون ، حوالي 0.7 V مقارنة بـ 0.6 V. فرق صغير إلى حد ما ، لذلك تهيمن على الاختلافات في العالم الحقيقي من الإنتاج الحالي ، هيئة الأوراق المالية.

على الرغم من أن الصبغة عالية الفعالية في تحويل الفوتونات الممتصة إلى إلكترونات حرة في TiO2 ، فإن الفوتونات التي تمتصها الصبغة هي فقط التي تنتج التيار في النهاية. يعتمد معدل امتصاص الفوتون على طيف الامتصاص لطبقة TiO2 الحساسة وعلى طيف التدفق الشمسي. يحدد التداخل بين هذين الطيفين أقصى قدر ممكن من التيار الضوئي. عموما جزيئات الصبغة المستخدمة عادة لديها امتصاص الفقراء في الجزء الأحمر من الطيف مقارنة مع السيليكون ، مما يعني أن أقل من الفوتونات في ضوء الشمس قابلة للاستخدام للجيل الحالي. هذه العوامل تحد من التيار الناتج عن DSSC ، للمقارنة ، فإن الخلية الشمسية القائمة على السيليكون تقدم حوالي 35 مللي أمبير / سم 2 ، في حين أن DSSCs الحالية تقدم حوالي 20 مللي أمبير / سم 2.

تبلغ كفاءة تحويل الطاقة الذروة الكلية لـ DSSCs الحالية حوالي 11٪. السجل الحالي للنماذج الأولية يكمن في 15 ٪.

انحلال
تتحلل DSSCs عندما تتعرض للأشعة فوق البنفسجية. في عام 2014 ، تم تحديد تسلل الهواء لطبقة سبيرو-موتاد غير المتبلورة الشائعة الاستخدام كسبب رئيسي للتدهور ، وليس الأكسدة. يمكن تجنب الضرر عن طريق إضافة حاجز مناسب.

قد تشتمل الطبقة الحاجزة على مثبتات بالأشعة فوق البنفسجية و / أو مصابيح صبورية مانعة للأشعة فوق البنفسجية (التي تنبعث في أطوال موجية أطول) ومضادات أكسدة لحماية وتحسين كفاءة الخلية.

مزايا
تعد DSSCs حالياً أكثر تقنيات الجيل الثالث استخداماً للطاقة الشمسية (تقنية استخدام الطاقة الشمسية الأساسية 16). وتتراوح تقنيات الأغشية الرقيقة الأخرى بين 5٪ و 13٪ ، وتعمل ألواح السليكون التجارية التقليدية منخفضة التكلفة بين 14٪ و 17٪. وهذا يجعل DSSCs جذابة كبديل للتكنولوجيات الموجودة في تطبيقات “منخفضة الكثافة” مثل مجمعات الطاقة الشمسية على الأسطح ، حيث تعد القوة الميكانيكية والوزن الخفيف للجامع غير الزجاجي ميزة كبرى. قد لا تكون جذابة لعمليات النشر على نطاق واسع حيث تكون الخلايا عالية الكفاءة ذات التكلفة العالية أكثر قابلية للتطبيق ، ولكن حتى الزيادات الصغيرة في كفاءة تحويل DSSC قد تجعلها مناسبة لبعض هذه الأدوار أيضًا.

هناك مجال آخر حيث DSSCs جذابة بشكل خاص. تختلف عملية حقن الإلكترون مباشرة في TiO2 بشكل نوعي عن تلك التي تحدث في الخلية التقليدية ، حيث يتم “تعزيز” الإلكترون داخل البلورة الأصلية. نظريًا ، بالنظر إلى معدلات الإنتاج المنخفضة ، يمكن للإلكترونات عالية الطاقة في السيليكون إعادة الدمج مع الثقب الخاص بها ، مما ينتج عنه الفوتون (أو أي شكل آخر من أشكال الطاقة) وينتج عنه عدم توليد أي تيار. على الرغم من أن هذه الحالة بالذات قد لا تكون شائعة ، إلا أنه من السهل إلى حد ما الحصول على إلكترون يتم إنشاؤه في جزيء آخر للوصول إلى ثقب تركه في الصورة السابقة.

وبالمقارنة ، فإن عملية الحقن المستخدمة في DSSC لا تقدم ثقبًا في TiO2 ، فقط إلكترون إضافي. على الرغم من أن الإلكترون قابل لإعادة الحيوية إلى الصباغة ، إلا أن المعدل الذي يحدث عنده يكون بطيئًا للغاية بالمقارنة مع المعدل الذي يستعيد الصبغة إلكترونًا من الإلكتروليت المحيط به. ومن الممكن أيضًا إعادة التركيب مباشرة من TiO2 إلى الأنواع في المنحل بالكهرباء ، على الرغم من أن هذا التفاعل بطيء إلى حد ما بالنسبة للأجهزة المثلى. على العكس ، فإن نقل الإلكترون من القطب المطلي بالبلاتين إلى الأنواع في المنحل بالكهرباء يكون سريعًا جدًا بالضرورة.

نتيجة لهذه “الحركية التفاضلية” المواتية ، تعمل DSSCs حتى في ظروف الإضاءة المنخفضة. وبالتالي ، تستطيع الدوائر السكانية DSSCs العمل تحت سماء ملبدة بالغيوم وأشعة الشمس غير المباشرة ، في حين أن التصاميم التقليدية ستعاني من “انقطاع” عند حد أدنى من الإضاءة ، عندما تكون حركة حامل الشحنة منخفضة ، وتصبح إعادة التركيب قضية رئيسية. قطع منخفضة للغاية حتى يتم اقتراحهم للاستخدام في الأماكن المغلقة ، وجمع الطاقة للأجهزة الصغيرة من الأضواء في المنزل.

من الميزات العملية ، التي تشاركها DSSCs مع معظم تقنيات الأغشية الرقيقة ، هي أن القوة الميكانيكية للخلية بشكل غير مباشر تؤدي إلى زيادة الكفاءة في درجات الحرارة المرتفعة. في أي من أشباه الموصلات ، فإن زيادة درجة الحرارة ستعزز بعض الإلكترونات في نطاق التوصيل “ميكانيكياً”. تتطلب هشاشة الخلايا السليكونية التقليدية حمايتها من العناصر ، عادة عن طريق تغليفها في صندوق زجاجي يشبه الدفيئة ، مع دعم معدني للقوة. تعاني هذه الأنظمة من انخفاض ملحوظ في الكفاءة مع ارتفاع حرارة الخلايا داخليًا. عادة ما يتم بناء DSSCs بطبقة رقيقة من البلاستيك موصل على الطبقة الأمامية ، مما يسمح لها أن تشع الحرارة بعيدا أسهل بكثير ، وبالتالي تعمل في درجات حرارة داخلية منخفضة.

سلبيات
العيب الرئيسي في تصميم DSSC هو استخدام السائل المنحل بالكهرباء ، والذي لديه مشاكل في استقرار درجة الحرارة. في درجات الحرارة المنخفضة ، يمكن للكهارل أن يتجمد ، وينهي إنتاج الطاقة ويحتمل أن يؤدي إلى أضرار مادية. تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى توسع السائل ، مما يجعل إغلاق الألواح مشكلة خطيرة. عيب آخر هو أن الروثينيوم المكلَّف (الصباغة) ، والبلاتينيوم (المحفز) والصلب الزجاجي أو البلاستيكي (جهة الاتصال) مطلوبان لإنتاج DSSC. العيب الرئيسي الثالث هو أن محلول الإلكتروليت يحتوي على مركبات عضوية متطايرة (أو المركبات العضوية المتطايرة VOC’s) ، وهي مذيبات يجب غلقها بعناية لأنها خطرة على صحة الإنسان والبيئة. هذا ، جنبا إلى جنب مع حقيقة أن المذيبات تتخلل المواد البلاستيكية ، قد تحول دون تطبيق واسع النطاق في الهواء الطلق والتكامل في بنية مرنة.

لقد كان استبدال الكهارل السائل مع مادة صلبة مجالًا رئيسيًا من الأبحاث المستمرة. وقد أظهرت التجارب الحديثة التي تستخدم الأملاح الذائبة المتصلبة بعض الوعود ، ولكنها تعاني حالياً من تدهور أعلى أثناء التشغيل المستمر ، وليست مرنة.

Photocathodes وخلايا ترادفية
تعمل الخلايا الشمسية التي تحسسها الأصباغ كصبغة ضوئية (n-DSC) ، حيث ينتج التيار الضوئي عن حقن الإلكترون بواسطة الصبغة الحساسة. تعمل Photocathodes (p-DSCs) في وضع معكوس مقارنةً بـ n-DSC التقليدي ، حيث يتم تتبع الإثارة الصبغية عن طريق نقل الإلكترون السريع من أشباه الموصلات من النوع p إلى الصبغة (حقن الثقب بحساسية الصبغة ، بدلاً من حقن الإلكترون) . ويمكن الجمع بين هذه DSCs و n-DSCs لبناء الخلايا الشمسية الترادفية (pn-DSCs) والكفاءة النظرية للـ DSCs الترادفية تتجاوز كثيراً قيمة DSCs الوصلة الوحيدة.

تتألف الخلية الترادفية القياسية من n-DSC وواحدة p-DSC في تكوين بسيط للشطيرة مع طبقة إلكتروليت متوسطة. وترتبط n-DSC و p-DSC على التوالي ، مما يعني أن التيار الضوئي الناتج سيتحكم به أضعف فوتوغرافي ، في حين أن الخلايا الضوئية مضافة. وبالتالي ، فإن المطابقة الكهروضوئية مهمة جداً من أجل تشييد نطاقات DSC مزدوجة الترادف ذات كفاءة عالية. ومع ذلك ، بخلاف n-DSCs ، فإن إعادة تشكيل الشحن السريع بعد الحقن بالثقب بحساسية الصبغة ينتج عادة عن انخفاضات ضوئية في p-DSC وبالتالي تعوق كفاءة الجهاز ككل.

وجد الباحثون أن استخدام الأصباغ التي تتكون من بيريلنيومويميد (PMI) كمستقبل و oligothiophene إلى triphenylamine حيث أن المتبرع يحسن بشكل كبير من أداء P-DSC عن طريق تقليل معدل إعادة التركيب بعد حقن الثقب بحساسية الصبغة. قام الباحثون ببناء جهاز DSC ترادفي مع NiO على الجانب P-DSC و TiO2 على الجانب n-DSC. تم تحقيق المطابقة Photocurrent من خلال تعديل سمك الفيلم NiO و TiO2 للتحكم في الامتصاص البصري ، وبالتالي تطابق المتوازيين من كلا القطبين. تبلغ كفاءة تحويل الطاقة في الجهاز 1.91٪ ، وهو ما يفوق كفاءة مكوناته الفردية ، لكنه لا يزال أقل بكثير من الأجهزة ذات النداء DSC عالي الأداء (6٪ -11٪). ولا تزال النتائج واعدة حيث أن تكاليف الدعم المباشر الترادفية كانت بحد ذاتها بدائية. يمكن أن يؤدي التحسن الكبير في الأداء في p-DSC في النهاية إلى أجهزة ترادفية ذات كفاءة أكبر بكثير من تلك ذات النطاقات DSC المنفردة.

تطوير
كانت الأصباغ المستخدمة في الخلايا التجريبية المبكرة (حوالي عام 1995) حساسة فقط في النهاية العالية التردد للطيف الشمسي ، في الأشعة فوق البنفسجية والأزرق. تم إدخال إصدارات أحدث بسرعة (حوالي 1999) كان لها استجابة ترددية أوسع بكثير ، ولا سيما “terrisarboxy-ruthenium terpyridine” [Ru (4،4 ‘، 4 “- (COOH) 3-terpy) (NCS) 3] ، وهي فعالة في نطاق التردد المنخفض للضوء الأحمر والأشعة تحت الحمراء ، ينتج عن الاستجابة الطيفية الواسعة الصبغة ذات اللون البني – الأسود العميق ، ويشار إليها ببساطة باسم “الصبغة السوداء” ، ولدى الأصباغ فرصة ممتازة لتحويل الفوتون في الإلكترون ، في الأصل حوالي 80 ٪ ولكن لتحسين التحويل إلى الكمال تقريبا في الأصباغ الحديثة ، فإن الكفاءة الكلية حوالي 90 ٪ ، مع “الضياع” 10 ٪ يتم حسابها إلى حد كبير عن الخسائر البصرية في القطب العلوي.

يجب أن تكون الخلية الشمسية قادرة على إنتاج الكهرباء لمدة عشرين سنة على الأقل ، دون حدوث انخفاض كبير في الكفاءة (مدى الحياة). تعرض نظام “الصبغ الأسود” إلى 50 مليون دورة ، أي ما يعادل التعرض لعشر سنوات في سويسرا. لم يلاحظ أي انخفاض ملحوظ في الأداء. ومع ذلك ، فإن الصبغة عرضة للانهيار في حالات الإضاءة العالية. على مدى العقد الماضي تم تنفيذ برنامج بحثي شامل لمعالجة هذه المخاوف. تضمنت الأصباغ الجديدة 1-ethyl-3 methylimidazolium tetrocyanoborate [EMIB (CN) 4] وهو مستقر للغاية ومستقر لدرجة الحرارة ، ونحاس disinenium [Cu (In، GA) Se2] الذي يوفر كفاءة تحويل أعلى ، وآخرون متفاوتة خصائص خاصة الغرض.

لا تزال DSSCs في بداية دورة التطوير الخاصة بها. مكاسب الكفاءة ممكنة وقد بدأت مؤخرا دراسة أكثر انتشارا. وتشمل هذه الاستخدامات النقاط الكمومية لتحويل الضوء العالي الطاقة (التردد العالي) إلى إلكترونات متعددة ، باستخدام إلكتروليتات الحالة الصلبة لاستجابة أفضل للحرارة ، وتغيير إشراق TiO2 لتتطابق بشكل أفضل مع الإلكتروليت المستخدم.

التطورات الجديدة

2010
يدعي باحثون في مدرسة الفنون التطبيقية في لوزان وفي جامعة كيبيك في مونتريال أنهم تغلبوا على قضيتين رئيسيتين من قضايا الدعم المباشر:

تم إنشاء “جزيئات جديدة” للكهارل ، مما أدى إلى وجود سائل أو هلام شفاف وغير قابل للتآكل ، مما يمكن أن يزيد من الجهد الكهروضوئي ويحسن إنتاج الخلية واستقرارها.
في الكاثود ، تم استبدال البلاتين بكبريتيد الكوبالت ، وهو أقل تكلفة بكثير ، وأكثر كفاءة ، وأكثر استقرارا وأسهل في الإنتاج في المختبر.
2011
أعلنت شركة Dyesol و Tata Steel Europe في شهر يونيو عن تطوير أكبر وحدة فوتوفلطية ذات صبغة حساسة في العالم ، مطبوعة على الفولاذ في خط مستمر.

أعلن كل من Dyesol و CSIRO في أكتوبر / تشرين الأول عن إتمام المعلم الثاني بنجاح في مشروع Dyesol / CSIRO المشترك. وقال مدير Dyesol جوردون طومسون ، “المواد التي تم تطويرها خلال هذا التعاون المشترك لديها القدرة على تحقيق تقدم كبير في تسويق DSC في مجموعة من التطبيقات حيث الأداء والاستقرار هي متطلبات أساسية. وتشجع Dyesol للغاية من خلال الاختراقات في الكيمياء السماح للإنتاج من الجزيئات المستهدفة ، وهذا يخلق مسارًا للاستخدام التجاري الفوري لهذه المواد الجديدة. ”

أعلنت شركتا Dyesol و Tata Steel Europe في نوفمبر عن التطوير المستهدف للشبكة الشمسية BIPV التنافسية لشبكة Grid Parity Competitive BIPV التي لا تتطلب تغذية حكومية مدعومة بالتعريفات الجمركية. يجري حالياً تركيب أسقف TATA-Dyesol “Solar Steel” في مركز المغلفات المستدامة للبناء (SBEC) في شوتون ، ويلز.

2012
أعلن باحثون من جامعة نورث وسترن عن حل لمشكلة DSSCs الأساسية ، وهي مشكلة الصعوبات في استخدام واحتواء السائل المنحل بالكهرباء وما يترتب على ذلك من عمر استخدام قصير نسبيا للجهاز. ويتحقق ذلك من خلال استخدام تكنولوجيا النانو وتحويل السائل المنحل بالكهرباء إلى مادة صلبة. الكفاءة الحالية هي حوالي نصف الخلايا السليكونية ، لكن الخلايا خفيفة الوزن ومن المحتمل أن تكون تكلفة أقل بكثير.

2013
خلال السنوات الخمس إلى العشر الماضية ، تم تطوير نوع جديد من DSSC – الخلية الشمسية ذات الصبغة الصلبة ذات الحالة الصلبة. في هذه الحالة ، يتم استبدال السائل المنحل بالكهرباء بإحدى المواد العديدة التي تعمل بالثقب الصلب. من عام 2009 إلى عام 2013 ، ازدادت كفاءة DSSCs الصلبة للدولة بشكل كبير من 4٪ إلى 15٪. أعلن Michael Graetzel عن تصنيع DSSCs لدولة صلبة بكفاءة 15.0٪ ، تم التوصل إليها بوساطة صبغة الهجين perovskite CH3NH3PbI3 ، ثم تم إيداعها من المحاليل المنفصلة لـ CH3NH3I و PbI2.

أول تكامل معماري في مركز المؤتمرات الجديد في EPFL ، بالشراكة مع Romande Energie. وسيبلغ إجمالي المساحة 300 متر مربع ، في 1400 وحدة من 50 سم × 35 سم. صممه الفنانان دانيال شلايبير وكاثرين بولي.

2018
وقد قام الباحثون بدراسة دور رنين البلازمون السطحي الموجود على نانودور الذهب في أداء الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة. ووجد الباحثون أنه مع زيادة التركيز في الأقطاب النانوية ، فإن امتصاص الضوء نما بشكل خطي ؛ ومع ذلك ، كان استخراج المسؤول أيضا عرضة للتركيز. مع التركيز الأمثل ، وجدوا أن الكفاءة العامة لتحويل الطاقة تحسنت من 5.31 إلى 8.86٪ للخلايا الشمسية Y123 ذات الصبغة الحساسة.

كان تركيب واحد هيكل ثنائي النانو TiO2 مباشرة مباشرة على ركائز الزجاج أكسيد القصدير مخدر الفلور ناجحا عن طريق تفاعل solvothermal two-stop. بالإضافة إلى ذلك ، من خلال المعالجة بالـ TiO2 sol ، يمكن تحسين أداء خلايا TiO2 المزدوجة النانوية وصولًا إلى كفاءة تحويل الطاقة بنسبة 7.65٪.

تم الإبلاغ عن قطب كهربائي ذو أساس من الستانلس ستيل لـ DSSCs مما يقلل من التكلفة أكثر ، مقارنة مع قطب العداد القائم على Platinium التقليدي ومناسب للتطبيق في الهواء الطلق.

قام باحثون من EPFL بتطوير DSSC على أساس معقدات النحاس redox electrolytes ، والتي حققت كفاءة 13.1٪ تحت ظروف AM1.5G القياسية ، و 100 mW / cm2 ، وسجلت كفاءة بنسبة 32٪ تحت 1000 لوكس من الضوء الداخلي.

مقدمة السوق
يعد العديد من مقدمي الخدمات التجارية من المتاحين للوحدات DSCs الواعدة في المستقبل القريب:

افتتحت ديسول رسمياً منشآتها التصنيعية الجديدة في كوينبيان أستراليا في 7 أكتوبر 2008. وأعلنت لاحقاً عن شراكات مع تاتا ستيل (تاتا-ديسول) و بيلكينجتون جلاس (ديتيك-سولار) من أجل تطوير وتصنيع DSC BIPV على نطاق واسع. كما دخلت Dyesol في علاقات عمل مع Merck و Umicore و CSIRO ووزارة الاقتصاد والتجارة اليابانية وشركة Singapore Aerospace Manufacturing ومشروع مشترك مع TIMO Korea (Dyesol-TIMO).

قامت شركة Solaronix ، وهي شركة سويسرية متخصصة في إنتاج مواد DSC منذ عام 1993 ، بتوسيع مبانيها في عام 2010 لاستضافة خط رائد للتصنيع من وحدات DSC.

تأسست شركة SolarPrint في أيرلندا في عام 2008 من قبل الدكتور مظهر باري وأندريه فيرنون وروي هورغان. كان SolarPrint أول كيان تجاري مقره أيرلندا يعمل في تصنيع التكنولوجيا الكهروضوئية. كان ابتكار SolarPrint هو الحل للمحلول الكهربي القائم على المذيب والذي يحظر حتى الآن التسويق التجاري الشامل لـ DSSC. ذهبت الشركة إلى الحراسة في عام 2014 وانتهى الأمر.

تأسست G24innovations في عام 2006 ، ومقرها في كارديف ، ساوث ويلز ، المملكة المتحدة. في 17 أكتوبر 2007 ، ادعى إنتاج أول طبقة رقيقة من الأغشية الرقيقة للأغراض التجارية.
قامت شركة سوني بتطوير خلايا شمسية ذات حساسية عالية مع كفاءة تحويل الطاقة بنسبة 10٪ ، وهو مستوى يعتبر ضروريًا للاستخدام التجاري.

“التصنيع” تبرم اتفاقية استثمار استراتيجي مع شركة Dyesol.

تأسست شركة H.Glass عام 2011 في سويسرا.وقد وضعت شركة H.Glass جهودًا هائلة لإنشاء عملية صناعية لتقنية DSSC – وهي النتائج الأولى التي ظهرت في معرض EXPO 2015 في ميلانو في الجناح النمساوي. إن العلامة المميزة لـ DSSC هي برج العلوم في النمسا – وهو أكبر تركيب لـ DSSC في العالم – تقوم به تقنيات SFL.