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Inorganic Chemistry

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염료 감질 태양 전지

Overview

출처: 타마라 M. 파워스, 텍사스 A&M 대학교 화학학과

오늘날의 현대 세계는 많은 양의 에너지를 사용해야 합니다. 석탄과 석유와 같은 화석 연료의 에너지를 활용하지만, 이러한 원천은 재생 불가능한 공급이므로 공급이 제한됩니다. 글로벌 라이프스타일을 유지하기 위해 재생 가능한 에너지원에서 에너지를 추출해야 합니다. 가장 유망한 재생 가능 원천은 태양으로, 지구에 여러 번 연료를 공급하기에 충분한 태양 에너지를 제공합니다.

그렇다면 태양으로부터 에너지를 어떻게 추출할까요? 자연은 그것을 알아 낸 첫번째이었다: 광합성은 식물이 탄수화물과 산소로 물과 이산화탄소를 변환하는 과정입니다. 이 과정은 식물의 잎에서 발생하고 잎을 녹색으로 착색엽소 안료에 의존합니다. 햇빛으로부터 에너지를 흡수하는 것은 이 착색분자이며, 화학 반응을 유도하는 흡수에너지입니다.

1839년, 아버지의 실험실에서 실험하던 19세의 프랑스 물리학자 에드먼드 베케렐(Edmond Becquerel)이 최초의 태양광 세포를 만들었습니다. 그는 전압과 전류를 생성 백금 전극에 연결된 은 염화물의 산성 용액을 조명했다. 1 20세기 후반과 상반기에 많은 발견과 발전이 이루어졌으며, 1954년에만 벨 연구소에 의해 최초의 실용적인 태양전지가 지어졌습니다. 1950년대부터 태양전지는 우주에서 위성에 전력을 공급하는 데 사용되었습니다. 2

태양 전지는 전류를 만들기 위해 빛을 활용하는 전기 장치입니다. 이 비디오는 이러한 유형의 셀, 염료 민감성 태양 전지(DSSC)의 준비 및 테스트를 보여줍니다. 브라이언 오레건과 마이클 그레첼이 UC 버클리에서 처음 발명한 그레첼은 스위스의 에콜 폴리테크닉대학 페데랄 드 로잔에서 이 작품을 추구했으며, 1991년 최초의 고효율 DSSC에 절정을 이루었습니다. 3 식물과 같은 이 태양전지는 염료를 사용하여 태양으로부터 에너지를 활용합니다.

Principles

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밴드 이론:

두 원자가 분자 궤도를 형성하기 위해 함께 모일 때, 두 개의 궤도가 형성되고, 하나는 결합을 하고 다른 하나는 대칭 방지대칭을 가진다. 4 이 것들은 일정량의 에너지로 구분됩니다. n 원자가 함께 모여 고체, n 분자 궤도 형태와 같은 분자 궤도를 형성한다. n이 클 때, 에너지에 밀접하게 간격을 둔 궤도의 수는 마찬가지로 크다. 결과는 유사한 에너지의 궤도의 밴드(그림1)입니다. 원자의 전자는 이 대역에 상주합니다. 밸런스 밴드는 전자로 채워진 가장 높은 에너지 밴드입니다. 그것은 분자의 가장 높은 점유 분자 궤도 (HOMO)에 가깝다. 전도 대역은 전자에 의해 채워지지 않는 가장 낮은 대역이며, 분자의 가장 낮은 비어 있는 분자 궤도(LUMO)와 비슷하다. 밴드 갭은 이 두 대역간의 에너지 차이입니다.

대역 간격이 클 경우, 고체 물질은 절연체입니다 : 전자는 재료 내에서 자유롭게 흐를 수 없습니다(도 1). 대조적으로, 지휘자는 발란 전도 대 간격이 흐려지는 것입니다. 금속과 같은 도체에서 전압을 적용하면 전도 대역에 대한 발덴성 대역내전자의 일부를 발생시킨다. 이 흥분 된 전자는 자유롭게 움직일 수 있습니다. 전자는 긍정적 인 구멍을 남기고 자유롭게 움직일 수 있습니다. 실제로 구멍은 움직이지 않고 오히려 전자가 양수 구멍을 채우기 위해 움직입니다. 도체에서는 온도가 증가함에 따라 분자 진동이 증가하여 전자의 흐름을 방해하고 전도도를 감소시킵니다.

반도체는 0 켈빈에서 절연체 역할을 하지만 온도가 증가함에 따라 도체가 되는 재료입니다(그림1). 이는 대역 갭-용기와 전도 대역 사이의 에너지가 작기 때문에 열 에너지는 전자를 전도 대역으로 흥분시키기에 충분하기 때문이다. 전형적인 본질적인 반도체는 실리콘과 게르마늄을 포함한다.

Figure 1
그림 1. 절연체, 반도체 및 도체용 밴드 다이어그램입니다. 그늘진 밴드는 전자로 채워지며 흰색 밴드는 비어 있습니다. 이산 전자는 적색 구로 표시되고 이산 구멍은 흰색 구로 표시됩니다.

태양광 효과:

빛이 반도체에 닿으면 발덴성 대역에서 전도 대역까지 전자를 자극할 수 있다. 이 전자는 그 때 전자의 그물 흐름의 결과로 뒤에 남겨진 구멍과 재결합할 수 있습니다. 또는, 회로 주위의 반도체를 통해 이동하고 회로의 다른 쪽 끝에 있는 구멍과 재결합할 수 있다. 햇빛에 노출로 생성된 전자의 이 흐름은 태양광 효과라고 합니다. 이 후자의 시나리오는 전기를 생성하기 위해 바람직하지므로 시스템은 재조합보다 이를 선호하도록 설계되어야 합니다.

이를 선호하는 한 가지 방법은 p-n 접합, n-및 p-도페 반도체 사이의 접합으로 세포를 설계하는 것입니다. 이들은 원자의 일부가 주기적인 테이블에 이웃 원자로 대체된 반도체입니다. n-doped 반도체에서는 전자가 더 많은 원자로 대체되며, p-doped 반도체에서는 전자가 적은 원자로 대체됩니다. "전통적인" 실리콘 기반 태양 전지는 이 접근법을 사용합니다.

그러나, 태양 전지의 신흥 모형은 DSSC, 수시로 Grätzel 세포로 불립니다. 5 이들은 반투명하다는 점에서 유망하며 비용은 훨씬 적습니다. 이 태양 전지는 여전히 반도체를 사용하지만 태양으로부터 빛을 흡수하는 데 사용되는 염료입니다.

DSSC의 구성 요소:

도 2에표시되는 DSSC에는 많은 구성 요소가 있습니다.

염료

태양광 효과를 촉진하기 위해 DSSC는 염료를 사용합니다. 염료 분자는 빛을 흡수하여 접합 궤도에서 항 결합 궤도로 전자를 촉진합니다. 이 흥분된 전자는 그 때 전자의 아무 흐름도 생기지 않는 결합 궤도로 다시 떨어질 수 있습니다. 또는, DSSC의 생산적인 통로인 반도체에 주입될 수 있다. 이렇게 하면 회로를 완료하려면 채워야 하는 구멍이 남습니다. 생산적인 통로의 경우, 염료내의 흥분 상태 전자의 에너지는 반도체의 전도 대역보다 클 수 있다. 염료는 또한 태양 광 스펙트럼의 대부분을 흡수해야, 세포의 효율성을 개선하기 위해. 일반적인 염료는 루테늄 (Ru)기반이며, 따라서이 금속은 매우 경제적이지 않기 때문에 DSSC를 제한합니다.

이 실험에서는 블랙베리와 라즈베리와 같은 일부 베리에서 발견되는 천연 염료(안토시아닌)를 활용할 것입니다. 안토시아닌 염료의 구조는 염료가 TiIVO2 표면에 결합할 수 있도록 하는 여러 =O 또는-OH 그룹을 특징으로 해야 한다(그림3). 6

반도체

흥분전자는 반도체의 전도 대역으로 흐른다. 이 실험에서 사용할 반도체는 TiO2입니다.

양극

전자는 반도체에서 양극으로 흘러들어오며, 이 경우 SnO2-코팅유리입니다. SnO2는 유리의 전도성 표면을 허용하며, 그렇지 않으면 절연체가 됩니다.

음극

짐을 통과한 후 전자는 음극에 오는데, 이는 SnO2로도포된다. 음극은 또한 중재자의 레독스 반응을 촉진하는 데 도움이되는 이 경우 흑연촉매로 덮여 있습니다.

중재자

전자는 음극에서 I3로전달되어I로줄입니다. . 이 감소된 분자는 그 때 회로를 완료하는 염료 분자에 남겨진 구멍에 전자를 기증할 수 있습니다. 이 프로세스는 I3을재생합니다. I3-/I- 셀 전위 및 Fermi 레벨의 차이는 태양 전지의 개방 회로 전위 또는 셀로 생성 될 수있는 최대 전압에 해당합니다.

이 비디오에서는 DSSC가 준비되고 성능이 평가됩니다.

Figure 2
그림 2. DSSC의 회로도. 햇빛은 염료에 의해 흡수되어 염료의 접합 방지 궤도로 전자를 들어 올린다. 이 전자는 다음 TiO2 전도 밴드로 이동, 구멍을 떠나. 전자는 회로 주위에 가서 부하를 통과하고, I3을줄이기 위해사용됩니다 - I-즉 다시 I3로산화됩니다 - 전자가 염료에 남아있는 구멍을 채우기 때문에.

Figure 3
그림 3. 일부 열매에서 발견되는 안토시아닌 안료는 TiO2 표면으로 치장됩니다.

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Procedure

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1. TiO2 페이스트 준비

  1. 콜로이드 TiO2 분말 6 g을 질량으로 하여 박격포에 놓습니다.
  2. TiO2에2-3 mL의 식초를 조심스럽게 추가하고 균일 한 페이스트를 얻을 때까지 유봉으로 서스펜션을 연마하기 시작합니다. 연삭은 분말의 응집된 덩어리를 분해하는 역할을 합니다.
  3. 식초를 계속 첨가하고, ~ 1mL 단위로 연삭하면서 최대 ~ 9mL의 총 부피를 추가하십시오. 각 첨가하기 전에, 페이스트의 일관성은 균일하고 덩어리가 없어야합니다. 마지막 페이스트는 두껍지만 너무 두껍지 않아 서 드롭퍼 병에서 압착할 수 없습니다.
  4. 증류수 1mL에 접시 비누 1방울을 넣고 부드럽게 섞습니다.
  5. TiO2 서스펜션에 접시 비누 용액을 넣고 부드럽게 섞어 거품을 일으키지 않도록 주의하십시오.
  6. 서스펜션을 15분 동안 평형화할 수 있도록 허용합니다. 접시 비누는 계면 활성제 역할을하며, 서스펜션이 유리의 균일 한 필름으로 쉽게 퍼지도록 돕습니다.

2. 유리에 TiO2의 증착

  1. 두 개의 전도성 유리 슬라이드를 청소하십시오. 에탄올로 김스 와이프를 적어 두 개의 전도성 유리 슬라이드를 닦아 사용하십시오. 깨끗한 슬라이드를 신선한 김스와이프에 놓습니다.
  2. 유리의 어느 쪽이 전도성인지 결정합니다. 옴에 멀티미터 세트를 사용하여, 둘 다 유리의 한쪽으로 연결합니다. 10에서 30 사이의 판독값이 관찰되면 Ω 전도성 측면입니다. 0의 판독값은 Ω 비전도성 측면을 나타냅니다.
  3. 슬라이드를 마스크합니다. 전도성 측면이 있는 유리 슬라이드 1개를 위로, 다른 하나는 전도성 측면을 아래로 놓습니다. 슬라이드를 터치하리도록 조심스럽게 유지하면서 유리 슬라이드를 벤치 탑에 테이프로 표시합니다. 슬라이드의 네 면 중 3면에 테이프를 놓고 슬라이드의 5~8mm가 3면의 테이프로 덮여 있는지 확인합니다(그림4). 테이프를 단단히 눌러 기포가 없는지 확인합니다.
  4. TiO2 페이스트를 적용합니다. 유리 막대를 사용하여 슬라이드의 마스크된 상단 가장자리에 얇은 페이스트 라인을 적용합니다. 유리 막대를 사용하여 슬라이드 길이아래로 페이스트를 조심스럽게 굴리고 백업합니다. 막대를 들어 올리지 않고 또는 균일 한 필름이 얻을 때까지이 모션 2-3배반복합니다.
    1. 필름이 균일하지 않은 경우, 단순히 김스 와이프로 닦아, 에탄올로 유리를 청소하고, 일단 건조하면 다시 시도합니다.
  5. 필름이 약간 건조한 다음 유리에서 테이프를 조심스럽게 제거합니다. TiO2 필름의 슬라이드는 전도성 측면에 있어야 합니다. 다른 슬라이드를 청소하고 나중에 사용할 수 있습니다.
  6. TiO2 필름을 아노닐. 450°C로 설정된 핫 플레이트에 슬라이드(TiO2 면 업)를 조심스럽게 배치합니다. TiO2가 보라색/갈색으로 어두워지고 흰색을 되찾는 모습을 지켜보십시오. 이 시점에서 핫플레이트를 끄고 필름이 천천히 식힙니다. 슬라이드가 너무 빨리 냉각되면 균열되거나 부서질 수 있습니다.
  7. 눈금자를 사용하면 필름으로 덮인 표면적을 측정하고 이 값을 기록합니다.

Figure 4
그림 4. 유리에 TiO2의 증착.

3. 염료와 TiO2 필름 얼룩

  1. 블랙베리, 라즈베리 또는 체리몇 개도 박격포에 넣고 페일로 분쇄합니다.
  2. 커피 필터를 통해 페트리 접시에 솔루션을 필터링합니다. 주스에 몇 mL의 물을 추가해야 할 수도 있습니다.
  3. 냉각된 TiO2 필름을 페트리 접시에 얼굴을 아래로 놓습니다. 어떤 TiO2를긁지 않도록주의하십시오. 염료를 필름에 흡착하도록 허용합니다. 이 경우 몇 분 정도 걸릴 수 있습니다.
  4. 필름이 완전히 코팅되면 (어두운 빨간색 또는 보라색이어야하고 흰색 반점이 없다), 집게로 슬라이드를 들어 올리고 (필름이 아닌 유리를 강하게조심하십시오), 물로 슬라이드를 헹구고 에탄올을 헹구십시오. 필름을 김와이프로 말리고 즉시 사용하십시오.
    1. 즉시 사용하지 않을 경우, pH 3-5의 아세트산을 함유한 페트리 접시에 필름을 보관하고 뚜껑으로 접시를 덮고 호일로 싸서 싸십시오.

4. 카운터 전극 준비

  1. 다른 전도성 유리 슬라이드를 사용하여 2.1-2.2 단계를 따르십시오.
  2. 전도성 측에 탄소 촉매를 적용합니다. 핀셋을 사용하여 번센 버너의 끝 위에 슬라이드, 전도성 측면을 누십시오. 그을음이 전체 표면에 수집되도록 슬라이드를 이동하지만, 더 이상 30 s. 슬라이드를 식히고 면봉으로 슬라이드의 한쪽을 따라 그을음을 닦으십시오.
    1. 또는 HB 연필을 사용하여 흑연으로 전체 전도성 표면을 덮습니다. 이것은 더 강력한 전극을 제공하지만, 덜 잘 수행 하나.

5. 태양 전지를 조립

  1. 스테인드 필름을 말리십시오. 에탄올로 헹구고 김쩍이 시라. 필름을 두 번째 김스와이프로 부드럽게 얼룩. 필름은 전해질 용액에 영향을 미치지 않도록 건조해야 합니다.
  2. 전극 필름 측을 위로 올려 놓고 탄소 코팅 전극을 부드럽게 위에 놓습니다(탄소 면아래). 두 전극의 노출된 면을 와이어로 클리핑할 수 있도록 슬라이드를 오프셋해야 합니다. 오프셋 유리에 인접한 측면에 두 개의 바인더 클립을 놓습니다.
  3. 슬라이드의 한 가장자리를 따라 전해질 용액몇 방울을 놓고 바인더 클립을 번갈아 열또는 닫아 셀의 각 면을 조심스럽게 열또는 닫습니다. 스테인드 영역의 모든 전해질 용액과 접촉하고 있는지 확인하고 필요한 경우 5.2 단계를 반복하십시오.
  4. 김 와이프와 에탄올을 사용하여 노출 된 영역에서 과도한 전해질을 닦아냅니다.
  5. 악어 클립을 태양 전지의 두 노출된 측면에 고정합니다.

6. 셀 성능 측정

참고: 이상적으로는 이러한 측정을 외부에서 수행해야 합니다. 그러나 날씨가 허용되지 않으면 할로겐 램프를 사용하여 내부에서 수행 할 수 있습니다. 모든 측정은 동일한 조건에서 수행되도록 셀의 움직임없이 수행해야합니다.

  1. TiO2 필름이 태양을 향해 향하도록 세포를 방향을 지정하고 세포 위에 폴리 카보네이트 커버를 놓으십시오. 이것은 UV 손상으로부터 세포를 보호합니다.
  2. 음극(TiO2-코팅유리)을 멀티미터의 음극와이어에 연결하고, 양극(C)을 멀티미터(도5)의양극 와이어에 연결한다.
  3. 멀티미터를 볼트로 설정하고 전압을 측정합니다. 이것은 오픈 회로 전위(전류가 0인 최대 전압)입니다. 셀(손 또는 솔리드 오브젝트)을 덮어 전압이 감소하도록 합니다.
  4. 멀티미터를 밀리머페레(mA)로 설정하고 최대 전류를 측정합니다. 이것은 단락 전류(제로 전압의 최대 전류)입니다. (손으로) 셀을 덮어 전류가 감소하는지 확인합니다.
  5. 500-Ω 전동 전류계를 가변 부하로 사용하여 전체 전류 전압 곡선을 기록합니다.
    1. 전위도계의 잠재 도납을 중앙 탭으로 결정합니다. 이 리드를 사용하면 저항이 다양할 수 있습니다. 이렇게 하려면 다중계(ohms로 설정)를 전위도계의 두 리드에 연결하고 전위도계의 저항을 변화시다. 저항이 변경되는 경우 유의하십시오. 다른 두 개의 리드 조합으로 반복합니다. 저항의 변화는 세 가지 조합 중 두 가지에서 관찰되어야합니다. 변경 사항을 준 두 조합에서 사용된 리드는 중앙 탭이고 다른 두 개의 리드는 기능적으로 동일합니다.
    2. 그림 5(오른쪽)에 표시된 대로 회로를 어셈블합니다.
    3. 전위력계를 전체(또는 0) 저항으로 설정하고 전류와 전압을 기록합니다.
    4. 작은 증분에서 전위도계의 저항을 변경하고 전류와 전압을 주의하여 전위계의 전체 범위에 걸쳐 있는 몇 가지 점이 있습니다. 이러한 측정 중에 셀을 이동하지 않도록 하십시오. 현재가 변경되기 시작하면 많은 데이터 포인트를 수집해야 합니다. 일정할 때 데이터 요소가 적을 수록 얻을 수 있습니다.

Figure 5
그림 5. 회로 다이어그램은 개방 회로 전위 및 단락 전류(왼쪽, 단계 6.3 및 6.4)를 측정하고 I-V 곡선(오른쪽)을 기록합니다.

염료 감감각 태양전지는 기존의 반도체 태양광에 대한 유망한 대안이며 최근 몇 년 동안 상업적으로 실행 가능해졌습니다.

염료 감응형 셀은 고온에서도 일관된 전력을 고유하게 생산하고 광자 발생 각도가 높으며 저조도하에서 실리콘 태양전지보다 거의 50% 더 많은 전력을 생산함으로써 효율이 낮습니다. 그들은 제조하기가 상당히 쉬울 수 있으며 천연 식물 성 안료를 염료로 사용할 수 있습니다. 이 비디오는 염료 민감성 태양 전지의 작동을 설명하고, 식물 안료를 사용하여 실험실에서 테스트 샘플을 만드는 기본 절차를 시연하고, 몇 가지 응용 분야에 대해 설명합니다.

모든 태양 전지는 전류를 생성하기 위해 전자에 에너지를 기부하는 빛의 능력에 의존합니다.

단일 원자에서 전자는 이산 에너지 레벨에 국한됩니다. 그러나 광자를 흡수하면 전자가 일시적으로 더 높은 에너지 수준으로 올라가 낮은 수준에 구멍을 남깁니다.

두 원자가 근접할 때 서로의 전자를 교란시합니다. 이것은 전자가 점유할 수 있는 새로운 에너지 수준을 만듭니다. 추가 원자가 추가됨에 따라 더 많은 에너지 레벨이 형성되어 궁극적으로 조밀한 에너지 밴드로 결합됩니다.

반도체에서 비어 있는 에너지 수준은 고에너지 전도 대를 형성하고 점유 수준은 저에너지 밸런스 밴드를 형성합니다. 에너지 차이는 "밴드갭 에너지"라고 합니다. 밴드갭 에너지가 있는 광자가 전자에 부딪히면 전자가 승격되어 구멍이 남게 됩니다. 전자와 구멍 은 모두 원자에서 원자로 다시 결합 될 때까지 수행 될 수있다.

이제 반도체가 광에너지를 어떻게 흡수하는지 보았으니, 염료 에 센스화된 태양전지에서 이 현상을 어떻게 활용할 수 있는지 살펴보겠습니다.

실리콘 태양 전지와 는 달리, 염료 감광 전지는 현재 전송의 빛 흡수 과정을 분리하여 재조합 속도를 낮춥니다.

셀에는 감세기 염료, 반도체 층, 전해질 및 2개의 전극이 포함되어 있습니다. 반도체는 아나타제 TiO2와같은 안정적인 유전체이다. 전해질은 일반적으로 유기 요오드이며, 카운터 전극은 부식 및 내열성 물질, 종종 백금 또는 탄소입니다.

반도체는 중화기이며 흡착염의 단층이 포함되어 있습니다. 염료 전자가 광자에 의해 흥분되면 즉시 반도체전도 대역에 주입됩니다.

반도체는 전자를 광전극으로 전달하고 회로에 차례로 전달합니다. 전자는 전해질을 감소시키며 사이클을 완성하는 카운터 전극을 통해 반환됩니다.

효과적인 염료는 전체 가시 스펙트럼에 반응합니다. 초기 염료에는 유기 루테늄 복합체가 포함되어 있습니다. 이들은 적외선으로 높은 변환을 제공하지만, 비싸고 생산하기 어렵다. 카로티노이드및 안토시아닌과 같은 식물성 감광성 안료는 효율적이지 만 더 풍부하고 실용적입니다.

이것은 원리입니다. 이제 실험실에서 기본 운영 절차를 살펴보겠습니다.

여기에서 입증된 절차는 일반적인 전구체 및 실험실 재료만을 사용하여 염료 감광전을 신속하게 제작하고 테스트할 수 있게 합니다.

먼저 아나타제 TiO2 파우더 6g을 박격포에 첨가합니다. 식초 2-3mL을 넣고 서스펜션을 갈아서 덩어리를 분해합니다. 총 9mL가 추가될 때까지 식초를 1mL 단위로 넣고 갈아냅니다. 페이스트 궁극적으로 균일해야 합니다.

다음으로, 증류수 1mL에 접시 비누 1방울을 부드럽게 섞어 계면활성제 용액을 생성합니다. 계면 활성제 용액을 페이스트에 부드럽게 섞어 거품을 일으키지 않도록 주의하십시오. 서스펜션이 평형화되도록 허용

에탄올에 담근 낮은 보풀 닦아 SnO2 코팅 전도성 유리 슬라이드 2개를 청소하십시오. 멀티미터를 사용하여 전도성 측면을 찾습니다. 전도성 측은 10-30 Ω 저항해야 합니다.

5-8mm의 마스크가 있고 기포가 없는 등 슬라이드를 벤치, 전도성 측면 위로, 다른 전도성 측면에 테이프로 테이프로 장식합니다. 유리 막대를 사용하여 전도성 측면의 상단 가장자리를 가로 질러 얇고 균일 한 페이스트 라인을 적용하십시오. 필름을 약간 건조시키고 테이프를 제거합니다.

뜨거운 접시에 배치하여 슬라이드를 건조, 전도성 측면을 위로. 이 영화는 먼저 보라색 갈색으로 어두워진 다음 희게 됩니다. 이 경우 핫 플레이트를 끄고 슬라이드를 위에 유지합니다. 실온으로 냉각된 후 필름의 표면적을 기록합니다.

카운터 전극을 준비하려면 두 번째 전도성 유리 슬라이드를 청소하십시오. 전도성 측에 탄소 촉매를 적용합니다. 핀셋으로 전도성 측면을 가볍게 화염 위에 고정합니다. 그을음은 30초 이상 수집하십시오. 핀셋으로 슬라이드를 방향을 조정하고 동일한 방식으로 그을음으로 나머지 모서리를 덮어 전체 슬라이드가 덮여 있는지 확인합니다.

이제 전극이 준비되었으므로 염료 감감각 태양 전지를 구성합시다.

주걱을 사용하여 비커에 라즈베리, 블랙베리 또는 체리 몇 개를 분쇄하십시오. 그런 다음 커피 필터를 사용하여 페트리 접시에 용액을 필터링하고 필요한 경우 증류수 몇 방울을 추가합니다.

핀셋을 사용하여 페트리 접시에 광전극을 놓고 전도성 측면을 내려놓고 필름을 긁지 않도록 주의하십시오. 염색이 완료되면 슬라이드를 조심스럽게 철회하고 흰색 패치가 표시되지 않는지 확인합니다. 슬라이드를 에탄올에 헹구고 블롯을 건조시합니다.

카운터 전극을 필름에 아래로 놓고 슬라이드 사이에 간격띄우기가 유지됩니다. 바인더 클립을 슬라이드 가장자리에 연결합니다. 가장자리를 따라 전해질 몇 방울을 놓고 바인더 클립을 약간 열어 필름 위로 스며들게 합니다. 이제 셀이 작동할 준비가 되었습니다.

할로겐 램프 아래에서 셀 성능을 측정할 준비를 합니다. 광전극이 할로겐 램프를 향하게 되도록 셀을 방향을 지정합니다. 멀티미터를 사용하여 개방 회로 전위및 단락 전류를 측정합니다.

다음으로 셀을 500 Ω 전위요미터에 연결하여 텍스트 프로토콜에 표시된 회로를 만듭니다. 순차적으로 전위도계를 통해 저항을 증가시키고, 멀티미터를 사용하여 전압과 전류를 측정합니다.

수집된 데이터는 태양 전지의 태양 에너지 변환과 태양 광 효율을 설명하는 전류 전압 곡선을 만드는 데 사용됩니다.

커브가 x축을 가로지르는 지점은 0 전류의 최대 전압인 열린 회로 전압이라고 합니다. 0V의 최대 전류 점은 곡선이 y축을 교차하는 그래프에 나타납니다.

최대 전력점(MPP)은 곡선의 "무릎"에서 발생하며 태양 전지의 이상적인 작동을 위한 전압 및 전류 조건을 제공합니다. 전류 전압 곡선의 MPP는 다른 태양 전지의 성능을 비교할 수 있는 수단을 제공합니다. 이 실험에서 측정된 개방 회로 전압은 0.5볼트의 값과 1-2 mA/cm 2의 단락전위에 도달할 수 있다.

염료 감질 태양 전지는 틈새 응용 분야에서 가치가 있으며,이 비디오에서 접근 하면 새로운 염료를 가진 세포의 신속한 프로토타이핑이 가능합니다.

염료 감점 태양 전지는 저조도하에서 높은 전력을 산출하기 때문에 "빛 수확", 실내 조명을 재사용하여 센서, ID 태그, 데이터 송신기 등에 유용합니다. 이를 달성하는 한 가지 방법은 전자가 전도 대역으로 위로 변환 할 수있는 bandgap 내에서 에너지 레벨을 도입하는 염료를 개발하는 것입니다. 경험적으로, 이것은 두 개의 낮은 에너지 흡수로 단 하나 고에너지 흡수를 대체하여 근적외선 파장에서 광자 대 전자 변환을 두 배로 했습니다.

염료 감질 세포는 티오2 중공 유리 마이크로스피어를 전극에 첨가하여 오염을 최소화하고 출력을 유지하는 태양광 창의 생산에 사용됩니다. 전기방사와 같은 이 저렴한 제조 기법을 위해 TiO2 슬러리가 전기장에 천천히 주입되어 고성능 전극용 나노섬유를 생산하는 데 사용할 수 있습니다. 또 다른 제조 기술은 잉크젯 인쇄입니다. 이것은 유리 기판에 전극을 예금하는 데 사용되어 3.5 %의 효율성을 가진 세포를 산출합니다.

당신은 방금 JoVE가 염료 에 센스를 감작 한 태양 전지에 도입되는 것을 보았습니다. 이제 염료 감질 세포의 작동, 실험실에서 저렴하게 생성하는 절차 및 일부 응용 분야에 대해 잘 알고 있어야 합니다. 언제나처럼, 시청주셔서 감사합니다!

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Results

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6.5.3-6.5.4 단계로 수집된 각 데이터 포인트에 대해 전류 밀도(mA/cm2)및 전력 밀도(mW/cm2)를계산합니다. 전류 밀도를 계산하려면 2.7단계에서 결정된 필름의 표면적으로 전류를 분할합니다. 전력 밀도를 계산하려면 전압을 전류 밀도별로 곱합니다. 6.3, 6.4 및 6.5.3-6.5.4 단계에서 수집된 데이터에 대해 전류(mA) 대 전압(mV)을 플롯합니다. 모든 데이터에 대해 현재 밀도와 볼트를 플롯합니다. 이것은 곡선의 "무릎"근처에 있어야합니다. 최대 전력(mW/cm2)을들어오는 태양광 발전(800-1,000 W/m2로이동)으로 나누고 100% 곱하여 전기 에너지 변환 효율로 태양광을 결정합니다.

I-V 곡선의 데이터 분석 및 제제는 세포의 성능을 비교하는 수단으로서 태양전지 문헌에서 표준이다. 측정된 개방 회로 전압은 0.3V에서 0.5V 사이여야 하며, 1-2 mA/cm2의 단락 전위도를 얻어야 합니다.

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Applications and Summary

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이 비디오는 간단한 DSSC의 준비 및 분석을 보여 주었다.

태양 전지가 점점 더 보편화되고 있으며, 성과를 발전시키기 위해 많은 연구가 진행되고 있습니다. 실리콘 반도체를 기반으로 하는 전통적인 태양전지는 우주와 지구에 사용되는 태양전지 패널을 만드는 데 사용됩니다. 덴버 국제 공항은 콜로라도의 맑은 기후를 이용하며 공항 에너지 수요의 6%를 제공하는 4개의 태양광 어레이를 보유하고 있습니다.

DSSC는 기존의 저비용 상업용 실리콘 패널의 14-17%에 비해 최대15%,7%의 효율로 작동합니다. DSSC의 운영 효율성은 경쟁력이 있지만, 대규모 응용 분야에서는 높은 비용(예: Ru-dye)의 재료비용이 문제가 됩니다. 아마도 DSSC의 가장 큰 단점은 온도 변화에 민감한 액체 전해질의 사용입니다. 액체 전해질은 저온에서 동결되어 전력 생산을 중단하거나 태양전지 패널에 구조적 손상을 줄 수 있습니다. 고온에서 액체 전해질이 확장되어 패널 밀봉이 어려워집니다.

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References

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