Células solares sensibilizadas com corante

Brian Luk
28 de novembro de 2010

Enviado como curso de Física 240 , Universidade de Stanford, outono de 2010

Fundo

Na sociedade atual, é cada vez mais importante encontrar fontes alternativas de energia que sejam baratas e eficientes. As células solares se tornaram um dos métodos mais amplamente pesquisados de obtenção de energia de maneiras "mais verdes" do que a queima de combustíveis fósseis, etc. Uma das novas variantes da célula solar que está sendo pesquisada atualmente é a célula solar sensibilizada com corante (DSC ), que foi inventado por Michael Gratzel e Brian O'Regan em 1991. Onde os sistemas convencionais aproveitam o semicondutor para absorver luz e transportar portadores de carga, os DSCs separam essas duas funções. Um sensibilizador, que é ancorado na superfície de um semicondutor de banda larga, absorve a luz solar. Quando a luz incide no corante, os elétrons são injetados do corante na banda de condução do sólido, responsável pela separação da carga. Os elétrons são então transportados na banda de condução do semicondutor para o coletor de carga. O uso de sensibilizadores com uma ampla banda de absorção junto com filmes de óxido nanocristalino (mais comumente óxido de titânio) permite a captura eficiente de uma grande fração da luz solar em uma grande faixa espectral (desde a faixa UV até a próxima IR).

Eficiência

Com eficiências de conversão de mais de 10% obtidas, os DSCs fornecem uma alternativa técnica e economicamente viável aos dispositivos fotovoltaicos de junção pn atuais. [1] DSCs são feitos de materiais de baixo custo e não requerem nenhuma maquinaria elaborada ou complicada para operar. Além disso, eles podem ser projetados em folhas flexíveis e são bastante duráveis, sendo capazes de resistir a eventos menores, como granizo. Células solares sensibilizadas com corante à base de líquido convencionalmente usadas (DSCs) podem ter eficiências tão altas quanto 11,1%, muitas vezes sofrem de possíveis problemas de vazamento e corrosão, gerando pesquisas em DSCs de estado sólido (ss-DSCs). [2,3] Embora esta eficiência de conversão seja menor do que a melhor das células de filme fino, em teoria sua relação preço-desempenho (kWh / (m ²-annum-dollar)) é alto o suficiente para torná-lo uma alternativa atraente para a geração elétrica por combustível fóssil. [4]

O corante usado em células solares sensibilizadas com corante é extremamente eficiente na conversão de fótons absorvidos em elétrons livres na camada de óxido de titânio. No entanto, a corrente é limitada a quantos fótons o corante pode realmente absorver - os fótons que são absorvidos são os que produzem a corrente. A taxa na qual os fótons são absorvidos depende da sobreposição entre o espectro de absorção da camada de óxido de titânio (ou outro filme de óxido nanocristalino usado) e o espectro de fluxo solar. A fotocorrente máxima possível depende da sobreposição entre esses dois espectros. As moléculas de corante normalmente usadas geralmente têm uma absorção mais pobre na parte vermelha do espectro em comparação com o silício, o que significa que menos fótons da luz solar estão disponíveis para a geração atual em comparação com o silício.² de atual. [5] O pico de produção de energia para os DSCs atuais é de ~ 11% quando combinado com um fator de preenchimento de 45%. [2]

Vantagens e desvantagens

Dada a eficiência e o baixo custo dos materiais necessários para fabricar células solares sensibilizadas com corante, os DSCs são um substituto atraente para as tecnologias existentes em aplicações de "baixa densidade", como coletores solares de telhado, embora a tecnologia ainda tenha um longo caminho a percorrer antes de poder ser uma alternativa atraente para implantações em grande escala também. No entanto, mesmo um pequeno aumento na eficiência de conversão para essas células solares da nova era poderia torná-las adequadas para funções de grande escala também, já que a eficiência da célula valeria o custo de utilizar mais DSCs.

Outra vantagem das DSCs sobre as células solares tradicionais é o fato de que a injeção direta de um fóton na camada de óxido de metal nanocristalino evita a possibilidade de um elétron se recombinar com um buraco. Isso contorna o problema de nenhuma corrente ser gerada quando ocorre a recombinação. Enquanto um buraco é gerado quando um elétron é excitado através do bandgap nas células tradicionais, nenhum buraco é gerado em um DSC quando um elétron é injetado. Em vez disso, apenas um elétron extra é adicionado. Embora seja teoricamente e energeticamente possível que um elétron se recombine com o corante, a taxa de ocorrência é insignificante em comparação com a taxa na qual os elétrons são fornecidos pelo eletrólito. [6] Devido a essa cinética favorável, os DSCs também funcionam em condições de pouca luz (ou seja, céu nublado e luz solar indireta). Tão pouca luz é necessária, que foi sugerido que DSCs sejam usados em ambientes internos - a luz poderia ser absorvida das várias luzes que normalmente são usadas para iluminar ambientes internos. [7]

Outra vantagem que os DSCs oferecem, devido em parte à sua robustez mecânica, é o fato de que eles têm maior eficiência em temperaturas mais altas do que as células solares tradicionais normalmente. DSCs são capazes de irradiar calor com muito mais eficiência do que as células de silício tradicionais e operam em temperaturas internas mais baixas, uma vez que geralmente são construídas com apenas uma fina camada de plástico condutor na camada frontal, em comparação com a caixa de vidro mais isolante que é normalmente usada para células solares de silício.

Apesar dessas inúmeras vantagens, os DSCs têm uma desvantagem. A principal desvantagem é que o eletrólito líquido usado em DSCs é sensível à temperatura. Em baixas temperaturas, o eletrólito pode congelar, tornando a célula solar completamente inutilizável. Em altas temperaturas, o eletrólito líquido se expande, tornando a vedação dos painéis solares um grande problema. O uso de um eletrólito líquido causa alguns problemas adicionais sérios, como potencial instabilidade potencial, limitação da temperatura máxima de operação, perigo de evaporação e custo extra para formar uma conexão elétrica em série. [8]

Panorama

As células solares sensibilizadas por corante se tornaram uma alternativa incrível aos dispositivos de junção PN de estado sólido. Com eficiências de conversão de mais de 11% já obtidas, os DSCs têm um futuro brilhante ao se tornar um grande contribuidor para a geração de eletricidade renovável e, com pesquisas em andamento, as eficiências só podem melhorar. Pesquisas futuras se concentrarão em melhorar a densidade de corrente de curto-circuito, estendendo a resposta à luz dos sensibilizadores na região espectral do infravermelho próximo, e ganhos substanciais são esperados com a introdução de mesoestruturas de óxido ordenadas e controle da recombinação de carga interfacial pela manipulação da célula no nível molecular nível. Com o trabalho sendo feito em DSCs, junto com os números já impressionantes que essas células apresentaram, DSCs são uma fonte viável de energia renovável para o futuro.

© 2010 Brian Luk. O autor concede permissão para copiar, distribuir e exibir este trabalho de forma inalterada, com atribuição ao autor, apenas para fins não comerciais. Todos os outros direitos, incluindo direitos comerciais, são reservados ao autor.

Referências

[1] M. Grätzel, "Dye-Sensitized Solar Cells", J Photochem. Photobiol.C - Photochem. Rev. 4 , 145 (2003).

[2] M. Grätzel, "The Advent of Mesoscopic Injection Solar Cells", Prog. Photovoltaics 14 , 429 (2006).

[3] HJ Snaith e L. Schmidt-Mende, "Advances in Liquid-Electrolyte and Solid-State Dye-Sensitized Solar Cells", Adv. Materials 19 , 3187 (2007).

[4] H. Tributsch, "Dye Sensitization Solar Cells: A Critical Assessment of the Learning Curve," Coord. Chem. Rev. 248 , 1511 (2004).

[5] F. Gao et al. "A New Heteroleptic Ruthenium Sensitizer Enhances the Absorptivity of Mesoporous Titania Film for a High Efficiency Dye-Sensitized Solar Cell", Chem. Comum. (23): 2635 (2008).

[6] M. Law et al. , "Nanowire Dye-Sensitized Solar Cells," Nature Materials 4 , 455 (2005).

[7] B. O'Regan e M. Grätzel, "A Low-Cost, High-Efficiency Solar Cell Based on Dye-Sensitized Colloidal TiO ₂ Films," Nature 353 , 737 (1991).

[8] A. Shah et al. , "Photovoltaic Technology: The Case for Thin-Film Solar Cells", Science 285 , 692 (1999).