Hybrid-Solarzelle

Hybrid-Solarzellen kombinieren die Vorteile von organischen und anorganischen Halbleitern. Hybrid-Photovoltaik hat organische Materialien, die aus konjugierten Polymeren bestehen, die Licht als Donor- und Transportlöcher absorbieren. Anorganische Materialien in Hybridzellen werden als Akzeptor und Elektronentransporter in der Struktur verwendet. Die hybriden photovoltaischen Vorrichtungen haben nicht nur das Potential für eine kostengünstige Verarbeitung von Rolle zu Rolle, sondern auch für eine skalierbare Umwandlung von Solarstrom.

Theorie
Solarzellen sind Geräte, die durch den photovoltaischen Effekt Sonnenlicht in Elektrizität umwandeln. Elektronen in einer Solarzelle absorbieren im Sonnenlicht Photonenenergie, die sie vom Valenzband zum Leitungsband anregt. Dies erzeugt ein Loch-Elektronen-Paar, das durch eine Potentialbarriere (wie einen pn-Übergang) getrennt ist und einen Strom induziert. Organische Solarzellen verwenden organische Materialien in ihren aktiven Schichten. Molekulare, polymere und hybride organische Photovoltaik sind die wichtigsten Arten von organischen photovoltaischen Geräten, die derzeit untersucht werden.

Hybrid-Solarzelle
In Hybridsolarzellen wird ein organisches Material mit einem Material mit hohem Elektronentransport gemischt, um die photoaktive Schicht zu bilden. Die zwei Materialien sind in einer fotoaktiven Schicht vom Heteroübergangs-Typ zusammengebaut, die eine größere Energieumwandlungseffizienz als ein einzelnes Material haben kann. Eines der Materialien wirkt als Photonenabsorber und Exzitonendonor. Das andere Material erleichtert die Exzitonendissoziation an der Verbindungsstelle.Die Ladung wird übertragen und dann getrennt, nachdem ein Exziton, das in dem Donor erzeugt wurde, auf einem Donor-Akzeptor-Komplex delokalisiert ist.

Das Akzeptormaterial benötigt einen geeigneten Energie-Offset zur Bindungsenergie des Excitons an den Absorber. Der Ladungstransfer ist günstig, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist:

wobei sich die hochgestellten A und D auf den Akzeptor bzw. den Donor beziehen, EA ist die Elektronenaffinität und U die coulombische Bindungsenergie des Exzitons auf dem Donor. Ein Energiediagramm der Grenzfläche. In üblicherweise verwendeten photovoltaischen Polymeren wie MEH-PPV liegt die Exzitonenbindungsenergie im Bereich von 0,3 eV bis 1,4 eV.

Die Energie, die benötigt wird, um das Exziton zu trennen, wird durch den Energieversatz zwischen den LUMOs oder Leitungsbändern des Donors und Akzeptors bereitgestellt. Nach der Dissoziation werden die Träger durch ein Perkolationsnetzwerk zu den jeweiligen Elektroden transportiert.

Der durchschnittliche Abstand, den ein Exziton vor der Annihilation durch Rekombination durch ein Material hindurchdiffundieren kann, ist die Excitonendiffusionslänge. Dies ist ein Mangel an Polymeren in der Größenordnung von 5-10 Nanometern. Die Zeitskala für strahlenden und nichtstrahlenden Zerfall liegt zwischen 1 Pikosekunde und 1 Nanosekunde. Exzitonen, die innerhalb dieser Länge in der Nähe eines Akzeptors erzeugt werden, würden zum Photostrom beitragen.

Um das Problem der kurzen Exzitonendiffusionslänge zu lösen, wird eine Bulk-Heteroübergangsstruktur anstelle einer phasenseparierten Doppelschicht verwendet. Das Dispergieren der Partikel in der gesamten Polymermatrix erzeugt eine größere Grenzfläche für den Ladungstransfer. Abbildung 2 zeigt den Unterschied zwischen einer Doppelschicht und einem Bulk-Heteroübergang.

Arten von Schnittstellen und Strukturen
Die Kontrolle der Grenzfläche von anorganisch-organischen Hybrid-Solarzellen kann die Effizienz der Zellen erhöhen. Diese erhöhte Effizienz kann durch Erhöhen der Grenzflächenoberfläche zwischen dem Organischen und dem Anorganischen zur Erleichterung der Ladungstrennung und durch Steuern der Längen und Periodizität jeder Struktur im Nanometerbereich erreicht werden, so dass sich Ladungen trennen und sich zu der entsprechenden Elektrode bewegen können, ohne sich zu rekombinieren. Die drei wichtigsten nanoskaligen Strukturen sind mesoporöse anorganische Filme, die mit elektronenschiebenden organischen, alternierenden anorganisch-organischen lamellaren Strukturen und Nanodrahtstrukturen durchsetzt sind.

Mesoporöse Filme
Mesoporöse Filme wurden für eine relativ hocheffiziente Hybrid-Solarzelle verwendet. Die Struktur von mesoporösen Dünnschichtsolarzellen umfasst üblicherweise ein poröses anorganisches Material, das mit einem organischen oberflächenaktiven Mittel gesättigt ist. Das Organische absorbiert Licht und überträgt Elektronen auf den anorganischen Halbleiter (normalerweise ein transparentes leitendes Oxid), der dann das Elektron an die Elektrode überträgt. Probleme mit diesen Zellen umfassen ihre zufällige Ordnung und die Schwierigkeit, ihre nanoskalige Struktur zu steuern, um die Ladungsleitung zu fördern.

Geordnete Lamellenfolien
Kürzlich wurde die Verwendung alternierender Schichten von organischen und anorganischen Verbindungen durch Selbstabscheidung auf der Basis von elektrolytischen Abscheidungen gesteuert. Dies ist von besonderem Interesse, da gezeigt wurde, dass die lamellare Struktur und die Periodizität der alternierenden organisch-anorganischen Schichten durch Lösungschemie kontrolliert werden können. Um diesen Zelltyp mit praktischen Effizienzen herzustellen, müssen grßere organische Tenside, die mehr des sichtbaren Spektrums absorbieren, zwischen den Schichten aus elektronenakzeptierendem anorganischem Material abgeschieden werden.

Filme aus geordneten Nanostrukturen
Die Forscher konnten Nanostruktur-basierte Solarzellen züchten, die geordnete Nanostrukturen wie Nanodrähte oder Nanoröhren aus anorganischer Umgebung durch elektronenspendende organische Stoffe unter Verwendung von Selbstorganisationsprozessen nutzen. Geordnete Nanostrukturen bieten den Vorteil eines gerichteten Ladungstransports und einer kontrollierten Phasentrennung zwischen Donor- und Akzeptormaterialien. Die auf Nanodrähten basierende Morphologie bietet eine reduzierte interne Reflexion, leichte Spannungsrelaxation und eine erhöhte Fehlertoleranz. Die Fähigkeit, einkristalline Nanodrähte auf kostengünstigen Substraten wie Aluminiumfolie herzustellen und Spannungen in nachfolgenden Schichten zu entspannen, beseitigt zwei weitere große Kostenhürden, die mit hocheffizienten Zellen verbunden sind. Die Wirkungsgrade von Nanodraht-Solarzellen sind rasant angestiegen, und sie scheinen eine der vielversprechendsten nanoskaligen Solar-Hybrid-Technologien zu sein.

Grundlegende Herausforderungen
Die Effizienz der Hybridzelle muss erhöht werden, um die Herstellung in großem Maßstab zu beginnen. Drei Faktoren beeinflussen die Effizienz. Erstens sollte die Bandlücke reduziert werden, um rote Photonen zu absorbieren, die einen signifikanten Anteil der Energie im Sonnenspektrum enthalten. Die aktuelle organische Photovoltaik hat eine Quantenausbeute von 70% für blaue Photonen gezeigt. Zweitens sollte der Kontaktwiderstand zwischen jeder Schicht in der Vorrichtung minimiert werden, um einen höheren Füllfaktor und eine höhere Energieumwandlungseffizienz zu bieten. Drittens sollte die Ladungsträgerbeweglichkeit erhöht werden, damit die Photovoltaik dickere aktive Schichten haben kann, während die Trägerrekombination minimiert und der Serienwiderstand des Bauelements niedrig gehalten wird.

Arten von Hybrid-Solarzellen

Polymer-Nanopartikel-Komposit
Nanopartikel sind eine Klasse von Halbleitermaterialien, deren Größe in mindestens einer Dimension im Bereich von 1 bis 100 Nanometern in der Größenordnung von Exzitonenwellenlängen liegt. Diese Größenkontrolle schafft Quantenbeschränkung und ermöglicht die Abstimmung optoelektronischer Eigenschaften wie Bandlücke und Elektronenaffinität. Nanopartikel haben auch ein großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, das mehr Platz für den Ladungstransfer bietet.

Die photoaktive Schicht kann durch Mischen von Nanopartikeln in eine Polymermatrix erzeugt werden. Solarzellen auf der Basis von Polymer-Nanopartikel-Kompositen ähneln meist Polymer-Solarzellen. In diesem Fall treten die Nanopartikel an die Stelle der Akzeptoren auf Fulleren-Basis, die in vollständig organischen Polymer-Solarzellen verwendet werden. Hybrid-Solarzellen, die auf Nanopartikeln basieren, sind ein Forschungsgebiet, da Nanopartikel mehrere Eigenschaften aufweisen, die sie Fullerenen vorziehen, wie:

Fullerene werden durch eine Kombination aus einem Hochtemperaturlichtbogenverfahren und einer kontinuierlichen Gasphasensynthese synthetisiert, was ihre Herstellung schwierig und energieintensiv macht. Die kolloidale Synthese von Nanopartikeln dagegen ist ein Tieftemperaturprozess.

PCBM (ein allgemeiner Fullerenakzeptor) diffundiert während langer Zeitspannen oder wenn es Wärme ausgesetzt wird, was die Morphologie verändern und die Effizienz einer Polymersolarzelle verringern kann. Begrenzte Tests von Nanopartikel-Solarzellen zeigen, dass sie im Laufe der Zeit stabiler sind.

Nanopartikel sind saugfähiger als Fullerene, sodass theoretisch mehr Licht in einem dünneren Gerät absorbiert werden kann.

Nanopartikelgröße kann die Absorption beeinflussen. Dies kombiniert mit der Tatsache, dass es viele mögliche halbleitende Nanopartikel gibt, ermöglichen hochgradig anpassbare Bandlücken, die leicht auf bestimmte Frequenzen abgestimmt werden können, was in Tandemsolarzellen vorteilhaft wäre.

Nanopartikel mit einer Größe in der Nähe ihres Bohr-Radius können zwei Exzitonen erzeugen, wenn sie von einem ausreichend energiereichen Photon getroffen werden.

Struktur und Verarbeitung
Bei den in dieser Vorrichtung verwendeten Polymeren sind die Lochmobilitäten größer als die Elektronenmobilitäten, so dass die Polymerphase zum Transport von Löchern verwendet wird. Die Nanopartikel transportieren Elektronen zur Elektrode.

Die Grenzfläche zwischen der Polymerphase und den Nanopartikeln muss groß sein. Dies wird durch Dispergieren der Partikel in der Polymermatrix erreicht. Die Nanopartikel müssen jedoch miteinander verbunden werden, um Perkolationsnetzwerke für den Elektronentransport zu bilden, der durch Hopping-Ereignisse auftritt.

Die Effizienz wird durch das Aspektverhältnis, die Geometrie und den Volumenanteil der Nanopartikel beeinflusst. Nanopartikelstrukturen umfassen Nanokristalle, Nanostäbchen und hyperverzweigte Strukturen. Abbildung 3 enthält ein Bild jeder Struktur. Unterschiedliche Strukturen verändern die Umwandlungseffizienz, indem sie eine Nanopartikeldispersion im Polymer bewirken und Wege für den Elektronentransport bereitstellen.

Die Nanopartikelphase muss einen Pfad für die Elektronen bereitstellen, um die Elektrode zu erreichen. Durch Verwendung von Nanostäbchen anstelle von Nanokristallen kann das Hopping-Ereignis von einem Kristall zum anderen vermieden werden.

Herstellungsverfahren umfassen Mischen der zwei Materialien in einer Lösung und Aufschleudern auf ein Substrat und Lösungsmittelverdampfung (Sol-Gel). Die meisten dieser Verfahren beinhalten keine Hochtemperaturverarbeitung. Tempern erhöht die Ordnung in der Polymerphase und erhöht die Leitfähigkeit. Ein Tempern für zu lange Zeit bewirkt jedoch, dass die Polymerdomänengröße zunimmt, wodurch sie schließlich größer als die Exzitonendiffusionslänge wird und möglicherweise etwas von dem Metall aus dem Kontakt in die photoaktive Schicht diffundieren kann, wodurch die Effizienz der Vorrichtung verringert wird.

Materialien
Anorganische Halbleiter-Nanopartikel, die in Hybridzellen verwendet werden, umfassen CdSe (Größenbereiche von 6 bis 20 nm), ZnO, TiO und PbS. Übliche Polymere, die als Photomaterialien verwendet werden, haben eine ausgedehnte Konjugation und sind auch hydrophob. Ihre Effizienz als Fotomaterial wird durch die Position des HOMO-Niveaus und das Ionisierungspotential beeinflusst, das direkt die Leerlaufspannung und die Stabilität in Luft beeinflusst. Die am häufigsten verwendeten Polymere sind P3HT (Poly (3-hexylthiophen)) und M3H-PPV (Poly [2-methoxy, 5- (2′-ethylhexyloxy) -p-phenylenvinylen)]). P3HT hat eine Bandlücke von 2,1 eV und M3H-PPV hat eine Bandlücke von ~ 2,4 eV. Diese Werte entsprechen der Bandlücke von CdSe, 2,10 eV. Die Elektronenaffinität von CdSe liegt zwischen 4,4 und 4,7 eV. Wenn das verwendete Polymer MEH-PPV ist, das eine Elektronenaffinität von 3,0 eV aufweist, ist der Unterschied zwischen den Elektronenaffinitäten groß genug, um den Elektronentransfer von dem CdSe zu dem Polymer zu steuern. CdSe hat auch eine hohe Elektronenbeweglichkeit (600 cm ² · V ^-1 · s ^-1 ).

Leistungswerte
Die höchste nachgewiesene Effizienz beträgt 3,2%, basierend auf einem PCPDTBT-Polymerdonor und CdSe-Nanopartikelakzeptor. Die Vorrichtung wies einen Kurzschlussstrom von 10,1 mA · cm-2, eine Leerlaufspannung von 0,68 V und einen Füllfaktor von 0,51 auf.

Herausforderungen
Hybrid-Solarzellen benötigen im Laufe der Zeit erhöhte Effizienz und Stabilität, bevor eine Kommerzialisierung möglich ist. Im Vergleich zu den 2,4% des CdSe-PPV-Systems weisen Silizium-Photodevices Leistungsumwandlungseffizienzen von mehr als 20% auf.
Zu den Problemen gehört die Kontrolle der Menge an Nanopartikelaggregation, wenn sich der Photolayer bildet. Die Partikel müssen dispergiert werden, um die Grenzfläche zu maximieren, müssen jedoch aggregieren, um Netzwerke für den Elektronentransport zu bilden. Die Netzwerkbildung ist empfindlich gegenüber den Herstellungsbedingungen. Sackgassen können die Strömung behindern. Eine mögliche Lösung ist die Implementierung von geordneten Heteroübergängen, bei denen die Struktur gut kontrolliert wird.

Die Strukturen können im Laufe der Zeit morphologische Veränderungen erfahren, nämlich Phasentrennung. Schließlich wird die Polymerdomänengröße größer als die Trägerdiffusionslänge sein, was die Leistungsfähigkeit verringert.

Obwohl die Nanopartikel-Bandlücke abgestimmt werden kann, muss sie mit dem entsprechenden Polymer abgestimmt werden. Die 2,0 eV-Bandlücke von CdSe ist größer als eine ideale Bandlücke von 1,4 für die Absorption von Licht.

Die beteiligten Nanopartikel sind typischerweise Kolloide, die in Lösung durch Liganden stabilisiert werden. Die Liganden verringern die Effizienz der Vorrichtung, da sie als Isolatoren dienen, die die Wechselwirkung zwischen Donor- und Nanopartikelakzeptor behindern und die Elektronenbeweglichkeit verringern. Ein gewisser, aber nicht vollständiger Erfolg wurde erzielt, indem die anfänglichen Liganden gegen Pyridin oder einen anderen kurzkettigen Liganden ausgetauscht wurden.

Hybrid-Solarzellen weisen Materialeigenschaften auf, die denen von Silizium-Volumenhalbleitern unterlegen sind. Die Trägerbeweglichkeiten sind viel kleiner als die von Silicium. Die Elektronenbeweglichkeit in Silizium beträgt 1000 cm ² · V ^-1 · s ^-1 , verglichen mit 600 cm ² · V ^-1 · s^-1 in CdSe und weniger als 10 cm ² · V ^-1 · s ^-1 in anderen Quanten Punktmaterialien. Die Lochmobilität in MEH-PPV beträgt 0,1 cm ² · V ^-1 · s ^-1 , während sie in Silizium 450 cm ² · V ^-1 · s ^-1beträgt.

Kohlenstoff-Nanoröhren
Carbon Nanotubes (CNTs) haben eine hohe Elektronenleitfähigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, Robustheit und Flexibilität. Feldemissionsanzeigen (FED), Dehnungssensoren und Feldeffekttransistoren (FET) unter Verwendung von CNTs wurden demonstriert. Jede Anwendung zeigt das Potenzial von CNTs für nanoskalige Geräte und für flexible Elektronikanwendungen.Photovoltaik-Anwendungen wurden ebenfalls für dieses Material erforscht.

Hauptsächlich wurden CNTs entweder als Verunreinigung des photoinduzierten Excitonenträger-Transportmediums in einer photovoltaischen Schicht auf Polymerbasis oder als photoaktive (Photon-Elektron-Konversions-) Schicht verwendet. Metallisches CNT ist für die erstgenannte Anwendung bevorzugt, während halbleitendes CNT für das spätere bevorzugt ist.

Effizientes Trägertransportmedium
Um die photovoltaische Effizienz zu erhöhen, müssen elektronenakzeptierende Verunreinigungen zu der photoaktiven Region hinzugefügt werden. Durch Einbau von CNTs in das Polymer kann die Dissoziation des Exzitonenpaares durch die CNT-Matrix erreicht werden. Die große Oberfläche (~ 1600 m ² / g) von CNTs bietet eine gute Möglichkeit zur Excitonendissoziation. Die getrennten Träger innerhalb der Polymer-CNT-Matrix werden durch die Perkolationswege benachbarter CNTs transportiert, was die Mittel für eine hohe Ladungsträgermobilität und einen effizienten Ladungstransfer bereitstellt. Die Leistungsfaktoren der CNT-Polymer-Hybrid-Photovoltaik sind im Vergleich zu denen der anorganischen Photovoltaik gering. SWNT in einem P3OT-Halbleiterpolymer zeigte eine Leerlaufspannung (V _oc ) von unter 0,94 V mit einem Kurzschlussstrom (I _sc ) von 0,12 mA / cm ² .

Metallnanopartikel können auf die Außenseite von CNTs aufgetragen werden, um die Exzitonenseparationseffizienz zu erhöhen. Das Metall liefert ein höheres elektrisches Feld an der CNT-Polymer-Grenzfläche und beschleunigt die Exzitonenträger, um sie wirksamer in die CNT-Matrix zu übertragen. In diesem Fall ist V _oc = 0,3396 V und I _sc = 5,88 mA / cm ² . Der Füllfaktor beträgt 0,3876% und der Weißlichtumwandlungsfaktor 0,775%.

Photoaktive Matrixschicht
CNT kann als photovoltaische Vorrichtung nicht nur als ein Zusatzmaterial zur Erhöhung des Ladungsträgertransports, sondern auch als die photoaktive Schicht selbst verwendet werden. Die halbleitenden einwandigen CNT (SWCNT) ist ein potenziell attraktives Material für Photovoltaik-Anwendungen für die einzigartigen strukturellen und elektrischen Eigenschaften. SWCNT hat eine hohe elektrische Leitfähigkeit (100-mal die von Kupfer) und zeigt einen ballistischen Ladungsträgertransport, der die Ladungsträgerrekombination stark verringert. Die Bandlücke der SWCNT ist umgekehrt proportional zum Röhrendurchmesser, was bedeutet, dass SWCNT mehrere direkte Bandlücken aufweisen kann, die mit dem Sonnenspektrum übereinstimmen.

Ein starkes eingebautes elektrisches Feld in SWCNT für eine effiziente fotogenerierte Elektron-Loch-Paar-Trennung wurde unter Verwendung von zwei asymmetrischen Metallelektroden mit hohen und niedrigen Arbeitsfunktionen demonstriert. Die Leerlaufspannung (Voc) beträgt 0,28 V, mit einem Kurzschlussstrom (Isc) von 1,12 nA · cm-2 bei einer einfallenden Lichtquelle von 8,8 W · cm-2. Der resultierende Weißlichtumwandlungsfaktor beträgt 0,8%.

Herausforderungen
Für die Verwendung von CNT in photovoltaischen Anwendungen müssen einige Herausforderungen angegangen werden. CNT verschlechtert Überstunden in einer sauerstoffreichen Umgebung. Die Passivierungsschicht, die erforderlich ist, um eine CNT-Oxidation zu verhindern, kann die optische Transparenz des Elektrodenbereichs verringern und den photovoltaischen Wirkungsgrad verringern.

Herausforderungen als effizientes Trägertransportmittel
Zusätzliche Herausforderungen beinhalten die Dispersion von CNT in der polymeren photoaktiven Schicht. Das CNT muss in der Polymermatrix gut dispergiert sein, um Ladungsübertragungseffiziente Wege zwischen den Exzitonen und der Elektrode zu bilden

Herausforderungen als photoaktive Matrixschicht
Zu den Herausforderungen von CNT für die photoaktive Schicht gehört die mangelnde Fähigkeit, einen pn-Übergang zu bilden, aufgrund der Schwierigkeit, bestimmte Segmente einer CNT zu dotieren. (Ein pn-Übergang erzeugt ein internes eingebautes Potential, das einen Pfad für eine effiziente Ladungsträgertrennung innerhalb der Photovoltaik bereitstellt.) Um diese Schwierigkeit zu überwinden, wurde das Biegen des Energiebandes unter Verwendung von zwei Elektroden unterschiedlicher Arbeitsfunktionen durchgeführt. Ein starkes eingebautes elektrisches Feld, das den gesamten SWCNT-Kanal abdeckt, wird für eine hocheffiziente Trägertrennung gebildet. Das Oxidationsproblem bei CNT ist für diese Anwendung kritischer. Oxidierte CNTs neigen dazu, metallischer zu werden und sind daher als photovoltaisches Material weniger geeignet.

Farbstoff-sensibilisiert
Farbstoffsensibilisierte Solarzellen bestehen aus einer photosensibilisierten Anode, einem Elektrolyten und einem photoelektrochemischen System. Hybridsolarzellen auf Basis von Farbstoffsolarzellen werden mit anorganischen Materialien (TiO2) und organischen Materialien gebildet.

Materialien
Hybridsolarzellen auf der Basis von Farbstoffsolarzellen werden durch Farbstoff absorbierte anorganische Materialien und organische Materialien hergestellt. TiO 2 ist das bevorzugte anorganische Material, da dieses Material leicht zu synthetisieren ist und aufgrund der donorähnlichen Sauerstoffleerstellen als Halbleiter vom n-Typ wirkt. Titandioxid absorbiert jedoch nur einen kleinen Teil des UV-Spektrums. Molekulare Sensibilisatoren (Farbstoffmoleküle), die an der Halbleiteroberfläche anhaften, werden verwendet, um einen größeren Teil des Spektrums zu sammeln. Im Fall von Titandioxid-Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen induziert ein von einer Farbstoff-Sensibilisator-Molekülschicht absorbiertes Photon eine Elektroneninjektion in das Leitungsband von Titandioxid, was zu einem Stromfluß führt. Eine kurze Diffusionslänge (Diffusionsvermögen, Dn ≤ 10 & supmin; & sup4; cm² / s) in Titandioxid-Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen verringert jedoch die Effizienz der Umwandlung von der Sonnenenergie in die Energie.Um die Diffusionslänge (oder Trägerlebensdauer) zu verbessern, sind eine Vielzahl von organischen Materialien an das Titandioxid gebunden.

Herstellungsschema
Farbstoffsensibilisierte photoelektrochemische Zelle (Grätzel-Zelle)
TiO ₂ -Nanopartikel werden in einigen zehn Nanometerskalen (~ 100 nm) synthetisiert. Um eine photovoltaische Zelle herzustellen, sind molekulare Sensibilisatoren (Farbstoffmoleküle) an die Titandioxidoberfläche gebunden. Das Farbstoff-absorbierte Titandioxid wird schließlich von einem flüssigen Elektrolyt eingeschlossen. Diese Art von farbstoffsensibilisierter Solarzelle wird auch als Grätzelzelle bezeichnet. Farbstoffsensibilisierte Solarzelle hat den Nachteil einer kurzen Diffusionslänge. Kürzlich wurden supermolekulare oder multifunktionelle Sensibilisatoren untersucht, um die Trägerdiffusionslänge zu erhöhen. Zum Beispiel wurde ein Farbstoffchromophor durch Zugabe von Sekundärelektronendonatoren modifiziert. Minoritätsträger (Löcher in diesem Fall) diffundieren zu den angehefteten Elektronendonatoren, um sich zu rekombinieren. Daher wird die Elektron-Loch-Rekombination durch die physikalische Trennung zwischen der Farbstoffkationeinheit und der TiO 2 -Oberfläche verzögert, wie in 5 gezeigt. Schließlich erhöht dieser Prozess die Ladungsträgerdiffusionslänge, was zu einer Erhöhung der Ladungsträgerlebensdauer führt.

Festkörper-Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle
Mesoporöse Materialien enthalten Poren mit Durchmessern zwischen 2 und 50 nm. Ein Farbstoff-sensibilisierter mesoporöser TiO2-Film kann zur Herstellung von photovoltaischen Zellen verwendet werden und diese Solarzelle wird als „Festkörper-Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle“ bezeichnet. Die Poren in dem mesoporösen TiO & sub2; -Dünnfilm sind mit einem festen löcherleitenden Material wie p-Typ-Halbleitern oder organischem lochleitendem Material gefüllt. Das Ersetzen des flüssigen Elektrolyten in Grätzelschen Zellen durch ein festes Ladungstransportmaterial kann vorteilhaft sein.Der Prozess der Elektronen-Loch-Erzeugung und Rekombination ist der gleiche wie Grätzel-Zellen.Elektronen werden von einem photoangeregten Farbstoff in das Leitungsband von Titandioxid injiziert und Löcher werden durch einen festen Ladungstransportelektrolyten zu einer Elektrode transportiert. Viele organische Materialien wurden getestet, um eine hohe Umwandlungseffizienz von Solarenergie in farbstoffsynthetisierte Solarzellen auf der Basis von mesoporösem Titanoxid-Dünnfilm zu erhalten.

Effizienzfaktoren
Effizienzfaktoren für farbstoffsensibilisierte Solarzellen sind

Herausforderungen
Flüssige organische Elektrolyte enthalten hochkorrosives Iod, was zu Problemen hinsichtlich Leckage, Abdichtung, Handhabung, Farbstoffdesorption und Wartung führt. Viel Aufmerksamkeit wird jetzt auf den Elektrolyten gerichtet, um diese Probleme anzugehen.

Für Festkörperfarbstoff-sensibilisierte Solarzellen stammt die erste Herausforderung von ungeordneten mesoporösen Titanoxidstrukturen. Mesoporöse Titandioxidstrukturen sollten mit gut geordneten Titandioxidstrukturen von einheitlicher Größe (~ 10 nm) hergestellt werden. Die zweite Herausforderung kommt von der Entwicklung des Festelektrolyten, der diese Eigenschaften haben muss:

Der Elektrolyt sollte für das sichtbare Spektrum transparent sein (breite Bandlücke).
Die Herstellung sollte möglich sein, um den festen Elektrolyten abzuscheiden, ohne die Farbstoffmolekülschicht auf Titandioxid zu zersetzen.

Das LUMO des Farbstoffmoleküls sollte höher sein als das Leitungsband von Titandioxid.

Einige p-Typ-Halbleiter neigen dazu, innerhalb der mesoporösen Titandioxidfilme zu kristallisieren, wodurch der Farbstoffmolekül-Titandioxid-Kontakt zerstört wird. Daher muss der Festelektrolyt während des Betriebs stabil sein.

Nanostrukturiertes anorganisches – kleine Moleküle
Im Jahr 2008 gelang es den Wissenschaftlern, eine nanostrukturierte lamellare Struktur zu schaffen, die ein ideales Design für Bulk-Heterojunction-Solarzellen bietet. Die beobachtete Struktur besteht aus ZnO und kleinen leitenden organischen Molekülen, die sich zu alternierenden Schichten aus organischen und anorganischen Komponenten zusammenlagern. Diese hochorganisierte Struktur, die durch π-π-Stapelung zwischen den organischen Molekülen stabilisiert wird, ermöglicht die Bildung von Leitbahnen sowohl in der organischen als auch in der anorganischen Schicht. Die Dicken der Schichten (etwa 1-3 nm) liegen gut innerhalb der Exzitonendiffusionslänge, was die Rekombination zwischen Ladungsträgern ideal minimiert. Diese Struktur maximiert auch die Grenzfläche zwischen dem anorganischen ZnO und den organischen Molekülen, was eine hohe Chromophor-Ladungsdichte innerhalb der Struktur ermöglicht. Aufgrund der Wahl der Materialien ist dieses System im Gegensatz zu vielen anderen Systemen, die Blei oder Cadmium verwenden, ungiftig und umweltfreundlich.

Obwohl dieses System noch nicht in eine photovoltaische Vorrichtung eingebaut wurde, haben vorläufige Photoleitfähigkeitsmessungen gezeigt, dass dieses System unter den höchsten gemessenen Werten für organische, hybride und amorphe Silizium-Photoleiter aufweist, und somit vielversprechende Möglichkeiten zur Schaffung effizienter hybrider photovoltaischer Vorrichtungen bietet.