6.28: Farbstoffsensibilisierte Solarzellen

1. Vorbereitung des TiO₂ einfügen

1. Masse 6 g kolloidalem TiO₂ Pulver aus, und legen Sie sie in einem Mörser.
2. Sorgfältig die TiO₂2-3 mL Essig hinzu, und beginnen Sie, die Suspension mit dem Stößel Schleifen, bis eine gleichmäßige Paste entsteht. Das Schleifen dient zur aggregierten Klumpen in das Pulver aufzulösen.
3. Fügen Sie Essig, in ~ 1 mL erhöht während des Schleifens, bis zu ~ 9 mL Gesamtvolumen. Vor jeder Zugabe sollte die Konsistenz der Paste gleichmäßig und frei von Klumpen werden. Die endgültige Paste sollte dick, aber nicht so dick, dass es aus einer Tropfflasche herausgedrückt werden kann nicht.
4. Tropfen Sie 1 Spülmittel auf 1 mL destilliertem Wasser, mischen Sie vorsichtig.
5. Die TiO₂ Aussetzung fügen Sie die Seifenlösung Gericht hinzu und mischen Sie vorsichtig, ohne dabei Luftblasen produzieren.
6. Lassen Sie die Suspension für 15 min equilibrate. Das Spülmittel dient als ein Tensid, um die Aufhängung leichter machen zu einem gleichmäßigen Film auf dem Glas verteilt.

2. Ablagerung von TiO₂ auf Glas

1. Reinigen Sie zwei leitende Glasplatten. Genießen Sie ein Wischtuch mit Ethanol und verwenden Sie, um sauber zwei leitfähige Objektträger zu wischen. Legen Sie die sauberen Folien auf eine frische Windex.
2. Bestimmen Sie, welche Seite des Glases leitend ist. Mit einem Multimeter auf Ohm eingestellt, berühren Sie beide führt zu einer Seite des Glases. Wenn eine Lesung zwischen 10 und 30 Ω beobachtet wird, ist es die leitende Seite. Eine Lesung von 0 Ω zeigt die nichtleitend Seite.
3. Maskieren Sie die Folie. Legen Sie einen Objektträger mit seinen leitenden Seite nach oben und das andere mit seiner leitenden Seite nach unten. Halten Sie sorgfältig die Folien berühren, gleitet Band das Glas an die Bank-Spitze. Legen Sie das Maßband auf drei der vier Seiten der Folien, die dafür sorgen, dass ~ 5-8 mm der Folie fällt unter Band auf jeder der drei Seiten (Abbildung 4). Drücken Sie das Band fest, um sicherzustellen, dass keine Luftblasen vorhanden sind.
4. Die TiO₂ Paste auftragen. Mit einem Glasstab, wenden Sie eine dünne Linie der Paste auf die maskierten Oberkante der Folie. Verwenden der Glasstab vorsichtig Rollen die Paste über die gesamte Länge der Folie, und sichern Sie. Wiederholen Sie diese Bewegung 2-3x ohne Anheben der Rute, oder bis ein gleichmäßiger Film entsteht.
   1. Wenn der Film nicht einheitlich ist, einfach mit einem Wischtuch abwischen, reinigen Sie das Glas mit Ethanol, und nach dem Trocknen, versuchen Sie es erneut.
5. Lassen Sie den Film ein wenig trocknen, dann entfernen Sie vorsichtig das Klebeband aus dem Glas. Die Folie mit dem TiO₂ Film sollte die leitende Seite. Die andere Folie kann gereinigt und später verwendet werden.
6. Tempern des TiO₂ Films. Legen Sie vorsichtig die Folie (TiO₂ Seite nach oben) auf einer heißen Platte, die auf 450 ° c eingestellt ist Beobachten Sie, wie die TiO₂ eine lila/braun Farbe dunkelt und gewinnt ihre weißen Farbe. An dieser Stelle die Herdplatte ausschalten und den Film langsam abkühlen lassen. Wenn die Folie zu schnell abgekühlt wird, kann es zu knacken oder zerbrechen.
7. Messen Sie mit einem Lineal die Fläche, die mit der Folie bedeckt ist, und notieren Sie sich diesen Wert.

Abbildung 4 . Ablagerung von TiO₂ auf Glas.

(3) Fleck der TiO₂ Film mit Farbstoff

1. Legen Sie ein paar Brombeeren, Himbeeren oder Kirschen in einem Mörser zerstoßen und mit einem Stößel zerdrücken.
2. Filtern Sie die Lösung durch einen Kaffeefilter und in eine Petrischale. Es möglicherweise notwendig, den Saft ein paar mL Wasser hinzuzufügen.
3. Legen Sie die abgekühlten TiO₂ Film, auf der Vorderseite nach unten in der Petrischale. Seien Sie vorsichtig, keiner TiO₂Rubbel. Können Sie der Farbstoff auf die Folie adsorbiert werden. Dies kann mehrere Minuten dauern.
4. Sobald der Film voll beschichtet ist (es sollte sein dunkles Rot oder violett und gibt es keine weißen Flecken), heben Sie die Folie mit einer Zange (vorsichtig nur zäh sein, das Glas und nicht der Film), und spülen Sie die Folie mit Wasser und Ethanol. Der Film mit einem Wischtuch trocken tupfen, und sofort nutzen.
   1. Wenn nicht sofort verwendet, dann speichern Sie den Film in einer Petrischale, die enthält Essigsäure bei pH 3-5, und bedecken Sie die Schüssel mit dem Deckel und in Folie wickeln.

4. bereiten Sie die Gegenelektrode

1. Verwenden einen anderen leitfähigen Objektträger, Schritte 2.1-2.2.
2. Den Kohlenstoff-Katalysator auf die leitfähige Seite auftragen. Mit einer Pinzette, die Rutsche, leitfähige Seite halten Sie, über die Spitze des einen Bunsenbrenner. Die Folie so verschieben, dass der Ruß auf der gesamten Oberfläche, aber nicht länger als 30 sammelt s. Lassen Sie die Folie abkühlen, und wischen Sie den Ruß auf der einen Seite der Folie mit einem Wattestäbchen.
   1. Alternativ mit einer HB-Bleistift, leitfähige vollflächig mit Graphit zu decken. Dies gibt eine robustere Elektrode, aber eine, die weniger gut führt.

5. Montieren Sie die Solarzelle

1. Trocknen Sie die gefärbten Film. Spülen Sie ihn mit Ethanol und legen Sie es auf ein Wischtuch. Tupfen Sie den Film mit einem zweiten Windex. Der Film muss trocken, keinen Einfluss auf die Elektrolyt-Lösung sein.
2. Legen Sie mit der Elektrode Folienseite, sanft die Kohlenstoff-beschichtete Elektrode auf (Kohlenstoff verdeckt). Achten Sie darauf, die Folien versetzt, sodass die exponierten Seiten der beiden Elektroden, Drähte befestigt werden können. Platzieren Sie zwei Binder Clips seitlich neben der Offset Glas.
3. Legen Sie ein paar Tropfen von der Elektrolytlösung an einem Rand der Folien und sorgfältig öffnen/schließen jede Seite der Zelle durch abwechselnd öffnen/schließen der Bindemittel-Clips. Achten Sie darauf, dass alle von den verschmutzten Bereich steht in Kontakt mit der Elektrolytlösung, und wiederholen Sie Schritt 5.2, falls erforderlich.
4. Wischen Sie die überschüssige Elektrolyt aus die belichteten Bereiche mit Kimwipes und Ethanol.
5. Befestigen Sie die Krokodilklemmen an den zwei ausgesetzten Seiten der Solarzelle.

6. Zelle Leistungsmessung

Hinweis: Im Idealfall sind diese Messungen außerhalb erfolgen. Jedoch wenn das Wetter nicht zulässt, können sie im Inneren mit einer Halogenlampe getan werden. Alle Messungen sollte ohne Bewegung der Zelle erfolgen, so dass sie unter gleichen Bedingungen durchgeführt werden.

1. Achten Sie darauf, die Zelle ausrichten, sodass die TiO₂ Film nach oben in Richtung der Sonne, und legen Sie eine Polycarbonat-Abdeckung über der Zelle. Dies schützt die Zelle vor UV-Schäden.
2. Verbinden Sie die negative Elektrode (TiO₂-beschichtetes Glas), das negative Kabel des Multimeters und die positive Elektrode (C) mit dem positiven Kabel des Multimeters (Abbildung 5).
3. Das Multimeter auf Volt und Messen Sie die Spannung zu. Dies ist die offene Schaltung potenzielle (maximale Spannung bei Null Strom). Decken Sie die Zelle (mit einer Hand oder einen festen Gegenstand) um sicherzustellen, dass die Spannung sinkt.
4. Das Multimeter auf Milliampere (mA) und Messen Sie den maximalen Strom zu. Dies ist der Kurzschlussstrom (Maximalstrom bei Null Spannung). Decken Sie die Zelle mit (mit einer Hand) um sicherzustellen, dass die aktuellen abnimmt.
5. Nehmen Sie eine volle Strom-Spannungs-Kurve mit einem 500-Ω-Potentiometer als eine Variable Last auf.
   1. Bestimmen Sie die führen auf das Potentiometer der zentralen Wasserhahn ist. Diese Führung ermöglicht den Widerstand variiert werden. Um dies zu tun, verbinden Sie das Multimeter (eingestellt auf Ohm) mit zwei der Leitungen auf die Potentiometer und variieren Sie den Widerstand auf das Potentiometer. Hinweis: Wenn der Widerstand ändert. Wiederholen Sie dies mit den anderen zwei Kombinationen von Leads. Widerstandsänderungen sollte in zwei der drei Kombinationen beobachtet werden. Die Führung, die in beiden Kombinationen verwendet wurde, die Änderungen gegeben hat ist die zentrale Hahn, und die anderen beiden sind funktional identisch.
   2. Montieren Sie die Schaltung, wie in Abbildung 5 (rechts) dargestellt.
   3. Legen Sie das Potentiometer zu voll (oder null) Widerstand, und notieren Sie sich den Strom und Spannung.
   4. Ändern Sie den Widerstand auf das Potentiometer in kleinen Schritten und beachten Sie Strom und Spannung, so dass es gibt einige Punkte, die das gesamte Spektrum des Potentiometers erstrecken. Achten Sie darauf, nicht die Zelle während dieser Messungen verschoben. Sobald der Strom beginnt zu ändern, achten Sie darauf, viele Datenpunkte zu sammeln; weniger Datenpunkte können erhalten werden, wenn es konstant ist.

Abbildung 5 . Schaltplan zur Messung der offenen Potenzial und Kurzschlussstrom (links, Schritte 6.3 und 6.4) und der spannungs-Kurve (rechts) aufzuzeichnen.

Farbstoffsensibilisierte Solarzellen sind eine vielversprechende Alternative zur herkömmlichen Halbleiter-Photovoltaik und in den letzten Jahren kommerziell nutzbar geworden.

Farbstoffsensibilisierte Zellen kompensieren ihren geringeren Wirkungsgrad, indem sie selbst bei hohen Temperaturen und hohen Photoneneinfallswinkeln eine konstante Leistung erzeugen und bei schwachem Licht fast 50 % mehr Leistung liefern als Siliziumsolarzellen. Sie sind wesentlich einfacher herzustellen und können natürliche, reichlich vorhandene Pigmente auf pflanzlicher Basis als Farbstoffe verwenden. Dieses Video veranschaulicht die Funktionsweise von farbstoffsensibilisierten Solarzellen, demonstriert ein elementares Verfahren zur Herstellung von Testproben im Labor mit Pflanzenpigmenten und diskutiert einige Anwendungen.

Alle Solarzellen beruhen auf der Fähigkeit des Lichts, Energie an Elektronen abzugeben, um elektrische Ströme zu erzeugen.

In einzelnen Atomen sind Elektronen auf diskrete Energieniveaus beschränkt. Wenn sie jedoch Photonen des Lichts absorbieren, steigen die Elektronen vorübergehend auf höhere Energieniveaus auf und hinterlassen ein Loch in der unteren Ebene.

Wenn sich zwei Atome in unmittelbarer Nähe befinden, stören sie sich gegenseitig mit ihren Elektronen. Dadurch entstehen neue Energieniveaus, die die Elektronen einnehmen können. Wenn zusätzliche Atome hinzugefügt werden, bilden sich weitere Energieniveaus, die schließlich zu dichten Energiebändern verschmelzen.

In Halbleitern bilden die unbesetzten Energieniveaus ein hochenergetisches Leitungsband, während besetzte Niveaus ein niederenergetisches Valenzband bilden. Die Energiedifferenz wird als "Bandlückenenergie" bezeichnet. Wenn ein Photon mit der Bandlückenenergie auf ein Elektron trifft, wird das Elektron gefördert und hinterlässt ein Loch. Sowohl das Elektron als auch das Loch können von Atom zu Atom geleitet werden, bis sie rekombinieren.

Nachdem wir nun gesehen haben, wie Halbleiter Lichtenergie absorbieren, sehen wir uns an, wie wir dieses Phänomen in einer Farbstoffsolarzelle nutzen können.

Im Gegensatz zu Silizium-Solarzellen trennen farbstoffsensibilisierte Solarzellen den Prozess der Lichtabsorption von dem der Stromübertragung, um die Rekombinationsrate zu senken.

Die Zelle enthält einen Sensibilisatorfarbstoff, eine Halbleiterschicht, einen Elektrolyten und zwei Elektroden. Bei dem Halbleiter handelt es sich um ein stabiles Dielektrikum, wie z. B. Anatas TiO2. Der Elektrolyt ist typischerweise ein organisches Iodid und die Gegenelektrode ein korrosions- und hitzebeständiges Material, oft Platin oder Kohlenstoff.

Der Halbleiter ist mesoporös und enthält eine Monoschicht aus adsorbiertem Farbstoff. Wenn ein Farbstoffelektron durch ein Photon angeregt wird, wird es sofort in das Leitungsband des Halbleiters injiziert.

Der Halbleiter transportiert das Elektron zur Photoelektrode und damit zum Schaltkreis. Das Elektron kehrt über die Gegenelektrode zurück, wo der verbrauchte Elektrolyt reduziert wird, wodurch der Zyklus abgeschlossen wird.

Wirksame Farbstoffe reagieren auf das gesamte sichtbare Spektrum. Zu den frühen Farbstoffen gehörten organische Rutheniumkomplexe. Diese bieten eine hohe Umwandlung ins Infrarote, sind aber teuer und schwer herzustellen. Lichtempfindliche Pigmente auf pflanzlicher Basis, wie Carotinoide und Anthocyane, sind reichlich vorhanden und praktischer, wenn auch weniger effizient.

Das sind die Prinzipien. Betrachten wir nun eine elementare Bedienungsprozedur im Labor.

Das hier demonstrierte Verfahren ermöglicht es, farbstoffsensibilisierte Solarzellen schnell herzustellen und zu testen, wobei nur gängige Vorläufer und Labormaterialien verwendet werden.

Beginnen Sie damit, 6 g Anatas TiO2-Pulver in einen Mörser zu geben. Fügen Sie 2-3 ml Essig hinzu und mahlen Sie die Suspension, um die Klumpen aufzubrechen. Essig iterativ in 1-ml-Schritten hinzufügen und mahlen, bis insgesamt 9 mL hinzugefügt wurden. Die Paste sollte letztendlich gleichmäßig sein.

Stellen Sie anschließend eine Tensidlösung her, indem Sie vorsichtig einen Tropfen Spülmittel mit 1 ml destilliertem Wasser mischen. Mischen Sie die Tensidlösung vorsichtig in die Paste und achten Sie darauf, dass keine Blasen entstehen. Lassen Sie die Suspension äquilibrieren

Reinigen Sie zwei SnO2-beschichtete leitfähige Glasobjektträger mit einem fusselarmen, in Ethanol getränkten Tuch. Verwenden Sie ein Multimeter, um ihre leitfähigen Seiten zu finden. Die leitfähige Seite sollte einen Widerstand von 10-30 μm haben.

Kleben Sie die Objektträger mit einer leitfähigen Seite nach oben und der anderen leitfähigen Seite nach unten auf die Bank, so dass 5-8 mm abgedeckt sind und keine Luftblasen entstehen. Tragen Sie mit einem Glasstab eine dünne, gleichmäßige Linie Paste über die Oberkante der leitfähigen Seite auf. Lassen Sie die Folie etwas trocknen und entfernen Sie das Klebeband.

Trocknen Sie die Folie, indem Sie sie mit der leitfähigen Seite nach oben auf eine heiße Platte legen. Die Folie wird zuerst zu einem violett-braunen dunkler und dann weiß. Schalten Sie in diesem Fall die Kochplatte aus und halten Sie den Schieber oben. Nachdem sie auf Raumtemperatur abgekühlt ist, nehmen Sie die Oberfläche der Folie auf.

Um die Gegenelektrode vorzubereiten, reinigen Sie einen zweiten leitfähigen Objektträger. Den Kohlekatalysator auf die leitfähige Seite auftragen. Halten Sie die leitfähige Seite mit einer Pinzette über eine hellere Flamme. Lassen Sie den Ruß nicht länger als 30 Sekunden sammeln. Richten Sie die Folie mit der Pinzette neu aus und bedecken Sie die verbleibende Ecke auf die gleiche Weise mit Ruß, stellen Sie sicher, dass die gesamte Folie bedeckt ist.

Nachdem nun die Elektroden vorbereitet sind, bauen wir die farbstoffsensibilisierte Solarzelle.

Mit einem Spatel ein paar Himbeeren, Brombeeren oder Kirschen in einem Becherglas zerdrücken. Filtern Sie dann die Lösung mit einem Kaffeefilter in eine Petrischale und fügen Sie bei Bedarf einige Tropfen destilliertes Wasser hinzu.

Legen Sie die Fotoelektrode mit einer Pinzette mit der leitfähigen Seite nach unten in die Petrischale und achten Sie darauf, den Film nicht abzukratzen. Wenn die Färbung abgeschlossen ist, ziehen Sie den Objektträger vorsichtig heraus und prüfen Sie, ob keine weißen Flecken sichtbar sind. Spülen Sie den Objektträger mit Ethanol ab und tupfen Sie ihn trocken.

Legen Sie die Gegenelektrode mit der Vorderseite nach unten auf die Folie und halten Sie dabei einen Versatz zwischen den Objektträgern aufrecht. Befestigen Sie Heftklammern an den Folienkanten. Geben Sie ein paar Tropfen Elektrolyt entlang der Kante und lassen Sie es über die Folie sickern, indem Sie die Bindeklammern leicht öffnen. Nun ist die Zelle betriebsbereit.

Bereiten Sie sich darauf vor, die Leistung der Zelle unter einer Halogenlampe zu messen. Richten Sie die Zelle so aus, dass die Fotoelektrode der Halogenlampe zugewandt ist. Verwenden Sie ein Multimeter, um das Leerlaufpotenzial und den Kurzschlussstrom zu messen.

Verbinden Sie als Nächstes die Zelle mit einem 500 ?? Potentiometer zum Erstellen der im Textprotokoll gezeigten Schaltung. Erhöhen Sie nacheinander den Widerstand durch das Potentiometer und verwenden Sie das Multimeter, um Spannung und Strom zu messen.

Aus den gesammelten Daten wird eine Strom-Spannungs-Kurve erstellt, die die solare Energieumwandlung der Solarzelle und ihren solaren Wirkungsgrad beschreibt.

Der Punkt, an dem die Kurve die x-Achse kreuzt, wird als Leerlaufspannung bezeichnet, d. h. als maximale Spannung bei Nullstrom. Der Punkt des maximalen Stroms bei 0 V wird im Diagramm an der Stelle angezeigt, an der die Kurve die y-Achse kreuzt.

Der Maximum Power Point (MPP) tritt am "Knie" der Kurve auf und stellt die Spannungs- und Strombedingungen für den idealen Betrieb der Solarzelle bereit. Der MPP von Strom-Spannungs-Kurven bietet die Möglichkeit, die Leistung verschiedener Solarzellen zu vergleichen. Die in diesem Experiment gemessene Leerlaufspannung kann Werte von 0,5 Volt und ein Kurzschlusspotential von 1-2 mA/cm2 erreichen.

Farbstoffsensibilisierte Solarzellen sind wertvoll für Nischenanwendungen, und der Ansatz in diesem Video ermöglicht ein schnelles Prototyping von Zellen mit neuartigen Farbstoffen.

Da farbstoffsensibilisierte Solarzellen bei schwachem Licht eine hohe Leistung liefern, eignen sie sich für das "Light Harvesting", die Wiederverwendung von Innenlicht zur Stromversorgung von Sensoren, ID-Tags, Datensendern und mehr. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, Farbstoffe zu entwickeln, die Energieniveaus innerhalb der Bandlücke einführen, von denen aus Elektronen in das Leitungsband hochkonvertieren können. Empirisch hat dies die Photon-zu-Elektronen-Umwandlung im nahen Infrarot verdoppelt, indem eine einzelne Absorption mit hoher Energie durch zwei Absorptionen mit niedrigerer Energie ersetzt wurde.

Farbstoffsensibilisierte Zellen werden für die Herstellung von Photovoltaik-Fenstern verwendet, bei denen den Elektroden TiO2-Hohlglas-Mikrokugeln zugesetzt werden, um die Umweltverschmutzung zu minimieren und die Leistung zu erhalten. Hierfür können kostengünstige Herstellungstechniken wie das Elektrospinnen eingesetzt werden, bei denen eine TiO2-Aufschlämmung langsam in ein elektrisches Feld injiziert wird, um Nanofasern für Hochleistungselektroden herzustellen. Eine weitere Herstellungstechnik ist der Tintenstrahldruck. Dies wurde verwendet, um Elektroden auf Glassubstraten abzuscheiden, was zu Zellen mit einem Wirkungsgrad von 3,5 % führte.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in farbstoffsensibilisierte Solarzellen gesehen. Sie sollten nun mit der Funktionsweise von farbstoffsensibilisierten Zellen, einem Verfahren zur kostengünstigen Erzeugung im Labor und einigen Anwendungen vertraut sein. Wie immer vielen Dank fürs Zuschauen!