색소 증감 태양전지

Dye-sensitized solar cell
염료감응형 태양전지 선택.

염료감응형 태양전지(DSSC, DSC, DYSC[1] 또는 Grétzel cell)는 박막 [2]태양전지군에 속하는 저비용 태양전지이다.광증감 양극과 광전기화학계인 전해질 사이에 형성된 반도체를 기반으로 한다.에 염색된 태양 전지도 Grätzel 세포로 알려진 현대판은 원래 1988년 브라이언 O'Regan와 마이클 Grätzel UCBerkeley[3]에 및에서 이 일 후에 상술한 과학자들이 첫 고효율의 1991년에서 게시를 염료 감응 태양 전지까지 에콜 폴리 Fédérale 로잔 드(EPFL)에서 개발되었다 co-invented다.[4]Michael Grétzel은 이 [5]발명품으로 2010년 Millennium Technology Award를 수상했습니다.

DSSC는 기존의 롤 프린팅 기술을 사용하여 제작하는 것이 간단하며, 반 유연성과 반투명성을 갖추고 있어 유리 기반 시스템에는 적용되지 않는 다양한 용도로 사용할 수 있으며, 사용되는 재료의 대부분이 저비용입니다.실제로 백금과 루테늄 등 많은 고가의 물질을 제거하는 것은 어려운 것으로 입증되었으며, 액체 전해액은 모든 날씨에 사용하기에 적합한 셀을 만드는 데 심각한 어려움을 겪고 있습니다.변환 효율은 최고의 박막 셀보다 낮지만 이론적으로 가격 대비 성능비는 그리드 패리티를 달성하여 화석 연료 전기 생성과 경쟁할 수 있을 만큼 우수해야 합니다.화학적 안정성 [6]문제로 인해 지연되었던 상용 애플리케이션은 유럽연합 태양광 발전 로드맵에서 2020년까지 재생 가능한 전력 생산에 크게 기여할 것으로 예측되었다.

현재 기술 : 반도체 태양전지

기존의 고체 반도체에서 태양전지는 2개의 도프 결정으로 구성되어 있는데, 하나는 자유도전대 전자를 부가하는 n형 불순물(n형 반도체)을 도프하고, 다른 하나는 전자구멍을 부가하는 p형 불순물(p형 반도체)을 도프한다.접촉하면 n형 부분의 일부 전자가 p형으로 흘러들어 전자 구멍이라고도 하는 누락된 전자를 채웁니다.결국 두 물질의 페르미 수준을 같게 하기 위해 충분한 전자가 경계를 넘어 흐를 것이다.그 결과, 인터페이스인 p-n 접점의 영역에서는 전하 캐리어가 고갈되거나 인터페이스 양쪽에 축적됩니다.실리콘에서 이러한 전자의 전달은 약 0.6~0.7eV의 [7]전위 장벽을 생성합니다.

태양에 놓였을 때, 햇빛의 광자는 반도체의 p형 쪽에 있는 전자를 들뜨게 할 수 있는데, 이것은 광 들뜨기라고 알려진 과정이다.실리콘에서, 햇빛은 낮은 에너지 원자가 대역에서 높은 에너지 전도 대역으로 전자를 밀어내기에 충분한 에너지를 제공할 수 있습니다.이름에서 알 수 있듯이 전도 대역의 전자는 실리콘 주위를 자유롭게 이동할 수 있습니다.셀 전체에 부하가 걸리면 이들 전자는 p형 쪽에서 n형 쪽으로 흘러 외부 회로를 통과하는 동안 에너지가 손실된 다음 p형 물질로 다시 흘러들어가서 그들이 남긴 원자가 밴드 구멍과 다시 결합할 수 있습니다.이런 식으로, 햇빛은 [7]전류를 발생시킨다.

어떤 반도체에서도 밴드갭은 그 정도의 에너지를 가진 광자만이 전류를 발생시키는 데 기여한다는 것을 의미합니다.실리콘의 경우 적색에서 보라색까지 대부분의 가시광선은 이를 실현하기에 충분한 에너지를 가지고 있습니다.불행하게도, 스펙트럼의 파란색과 보라색 끝에 있는 높은 에너지 광자는 밴드 갭을 가로지르기에 충분한 에너지를 가지고 있습니다; 비록 이 여분의 에너지의 일부가 전자로 전달되지만, 그것의 대부분은 열로 낭비됩니다.또 다른 문제는 광자를 포착할 수 있는 합리적인 기회를 갖기 위해서는 n형 층이 상당히 두꺼워야 한다는 것이다.이것은 또한 새로 배출된 전자가 p-n 접합부에 도달하기 전에 이전에 만들어진 물질에 있는 구멍과 만날 가능성을 증가시킨다.이러한 효과는 실리콘 태양 전지의 효율성에 대한 상한선을 생성하며, 현재 일반 모듈의 경우 약 12 - 15%, 최상의 실험실 셀의 경우 최대 25%이다(33.16%는 단일 밴드 갭 태양 [8]전지의 이론상 최대 효율, 쇼클리-퀴서 한계 참조).

지금까지의 접근방식의 가장 큰 문제는 비용입니다.태양전지는 합리적인 광자 포획 속도를 얻기 위해 상대적으로 두꺼운 도프 실리콘 층을 필요로 하며 실리콘 처리 비용은 비쌉니다.지난 10년 동안 이러한 비용을 절감하기 위한 여러 가지 접근법이 존재해 왔습니다. 특히 박막 접근법은 여러 가지 현실적인 문제로 인해 지금까지 제한적으로 적용되고 있습니다.또 다른 연구 라인은 다중 접합 접근방식을 통해 효율성을 획기적으로 향상시키는 것이지만, 이러한 셀은 매우 비용이 많이 들고 대규모 상용 배치에만 적합합니다.일반적으로 옥상 배치에 적합한 셀 유형은 효율 면에서 크게 변하지 않았지만 공급 증가로 인해 비용이 다소 감소했습니다.

색소 증감 태양전지

Grétzel과 O'Regan이 EPFL에서 만든 셀 유형
Grétzel 셀 조작

1960년대 후반에 조명된 유기 염료가 전기화학 [9]셀의 산화물 전극에서 전기를 발생시킬 수 있다는 것이 발견되었다.광합성의 1차 과정을 이해하고 시뮬레이션하기 위한 노력의 일환으로, 이 현상은 캘리포니아 버클리 대학에서 시금치로부터 추출한 엽록소로 연구되었습니다(바이오 모방 또는 생체 공학 [10]접근).이러한 실험을 바탕으로 1972년 [11]염료 감작 태양전지(DSSC) 원리를 시연하고 논의했다.염료 태양 전지의 불안정성이 주요 과제로 확인되었다.그 효율은 이후 20년 동안 미세한 산화물 분말에서 준비된 전극의 다공성을 최적화함으로써 개선될 수 있었지만, 불안정성은 [12]여전히 문제로 남아 있었다.

현대의 n형 DSSC, 가장 일반적인 DSSC는 이산화티타늄 나노 입자의 다공질 층으로 구성되어 있으며 녹색 잎의 엽록소와 같이 햇빛을 흡수하는 분자 염료로 덮여 있습니다.이산화티타늄은 전해질 용액 아래에 침지되며, 그 위에 백금 기반 촉매가 있습니다.기존 알칼리 전지와 마찬가지로 액전도체(전해질)의 양쪽에 양극(이산화티타늄)과 음극(백금)을 배치한다.

n타입 DSSC의 동작원리는 몇 가지 기본적인 단계로 요약할 수 있습니다.햇빛은 투명 전극을 통과하여 염료 층으로 들어가 전자를 자극하여 N형 반도체(일반적으로 이산화티타늄)의 전도 대역으로 흐를 수 있습니다.그리고 나서 이산화티타늄에서 나온 전자는 투명한 전극을 향해 흐릅니다. 여기서 전자는 부하를 공급하기 위해 수집됩니다.외부 회로를 통해 흐른 후, 그것들은 뒷면의 금속 전극(대향 전극이라고도 함)을 통해 셀로 다시 유입되어 전해질로 흐릅니다.그런 다음 전해질은 전자를 염료 분자로 다시 운반하고 산화 염료를 재생합니다.

위의 기본 작동 원리는 염료 감응형 반도체가 p형 특성(일반적으로 산화니켈)인 p형 DSSC와 유사합니다.그러나 p형 DSSC에서는 전자를 반도체 내에 주입하는 대신 p형 반도체의 [13]원자가 대역에 염료에서 구멍이 흐른다.

염료감응형 태양전지는 전통적인 셀 설계에서 실리콘이 제공하는 두 가지 기능을 분리한다.일반적으로 실리콘은 광전자의 공급원 역할을 할 뿐만 아니라 전하를 분리하고 전류를 생성하기 위한 전계를 제공합니다.본 발명의 염료증감형 태양전지는 반도체 대부분이 전하수송에만 사용되며 광전자가 별도의 감광성 염료로부터 제공된다.전하 분리는 염료, 반도체 및 전해질 사이의 표면에서 발생합니다.

염료 분자는 매우 작기 때문에(나노미터 크기의) 들어오는 빛의 적당한 양을 포착하기 위해서는 염료 분자층이 분자 자체보다 훨씬 두껍게 상당히 두껍게 만들어져야 합니다.이 문제를 해결하기 위해 나노 물질은 많은 수의 염료 분자를 3-D 매트릭스로 유지하는 발판으로서 사용되어 주어진 세포 표면적의 분자 수를 증가시킨다.기존 설계에서 이 발판은 이중 듀티를 제공하는 반도체 재료에 의해 제공됩니다.

대향 전극 재료

DSSC의 가장 중요한 컴포넌트 중 하나는 대향 전극입니다.전술한 바와 같이 대향전극은 외부회로에서 전자를 모아 전해액으로 되돌려 레독스 셔틀(일반적으로3− I to− I)의 환원반응을 촉매하는 역할을 한다.따라서 대향전극은 높은 전자전도율과 확산능력뿐만 아니라 전기화학적 안정성, 높은 촉매활성, 적절한 밴드구조를 갖는 것이 중요하다.현재 사용되는 가장 일반적인 대향 전극 재료는 DSSC의 백금이지만, 높은 비용과 부족한 자원 때문에 지속 가능하지 않습니다.따라서 많은 연구가 백금을 동등하거나 우수한 전자 촉매 성능으로 대체할 수 있는 새로운 하이브리드 및 도프 물질을 발견하는 데 집중되어 왔습니다.그러한 범주 중 하나는 코발트, 니켈, 철(CCNI)의 카르코겐 화합물, 특히 형태학, 화학측정학 및 결과 성능에 대한 시너지 효과를 포함한다.재료의 원소 구성 외에도 이 세 가지 매개변수가 결과적으로 발생하는 대향 전극 효율에 큰 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다.물론, 현재 연구되고 있는 다른 물질들로는 고메소폴러스 탄소,[14] 주석 기반 물질,[15] 금 나노 구조,[16] 납 기반 나노 결정 [17]등 다양한 것들이 있다.단, 다음 섹션에서는 DSSC 대향 전극 성능 최적화를 위한 CCNI와 관련하여 진행 중인 다양한 연구 노력을 정리한다.

형태학

같은 조성이라도 대향전극을 구성하는 나노입자의 형태학이 전체 광전지의 효율을 결정하는데 있어서 중요한 역할을 한다.물질의 전자촉매 잠재력은 산화환원종의 확산과 축소를 용이하게 하기 위해 이용 가능한 표면적의 양에 크게 의존하기 때문에, DSSC 대향 전극을 위한 나노 구조의 형태학을 이해하고 최적화하는 데 많은 연구 노력이 집중되어 왔다.

2017년, 황 등.CoSe/CoSeO3 복합결정의 마이크로2 에멀젼 지원 열수 합성에 다양한 계면활성제를 사용해 나노튜브, 나노로드,[18] 나노입자를 생산했다.이들 3가지 형태를 비교한 결과 하이브리드 복합 나노입자는 전기 활성 표면적이 가장 크기 때문에 백금보다 전력 변환 효율이 더 높은 9.27%로 가장 높은 것으로 나타났다.뿐만 아니라 나노입자 형태학에서는 양극 피크 전위와 음극 피크 전위 사이에 최고 피크 전류 밀도와 최소 전위 갭을 보여 최고의 전자 촉매 능력을 나타냈다.

2017년 Du et al.은 유사하지만 다른 시스템을 통해 NiCoO의24 3원 산화물이 나노로드나 나노시트와 [19]비교했을 때 나노플로어로서 전력 변환 효율과 전자 촉매 능력이 가장 크다는 것을 확인했다.Du 등은 나노플로어의 더 큰 활성 표면적을 이용하는 데 도움이 되는 다양한 성장 메커니즘을 탐색하는 것이 DSSC 애플리케이션을 다른 분야로 확장할 수 있는 기회를 제공할 수 있다는 것을 깨달았다.

스토이치메트리

물론 효율적인 전자교환을 위해서는 원자가 및 전도 에너지 대역이 레독스 전해질 종과 겹쳐야 하기 때문에 대향 전극으로 사용되는 재료의 조성은 작동하는 광전지를 만드는 데 매우 중요하다.

2018년 Jin 등은 셀 [20]성능에 미치는 영향을 파악하기 위해 니켈과 코발트의 다양한 화학량비율로 3원 니켈 코발트 셀레나이드(NiCoSexy) 필름을 준비했습니다.니켈과 코발트 바이메탈 합금은 뛰어난 전자 전도성과 안정성을 가지고 있는 것으로 알려져 있기 때문에 화학량 측정을 최적화하면 단일 금속 합금보다 더 효율적이고 안정적인 셀 성능을 이상적으로 생산할 수 있습니다.이러한 결과는0.120.80 NiCoSe가 백금 및 이진 셀레나이드보다 우수한 전력 변환 효율(8.61%)과 낮은 전하 전달 임피던스, 높은 전자 촉매 능력을 달성함에 따라 Jin 등이 발견한 것이다.

시너지

마지막으로 활발하게 연구된 분야는 우수한 전기 활성 성능을 촉진하는 다양한 소재의 시너지 효과입니다.다양한 전하 수송 재료, 전기화학 종 또는 형태학을 통해 서로 다른 재료 간의 시너지 관계를 활용하는 것은 훨씬 더 새로운 대향 전극 재료의 기반을 마련했습니다.

2016년 Lu 등은 니켈 코발트 황화물 미립자와 환원 그래핀 산화물(rGO) 나노 플레이크를 혼합하여 대향 [21]전극을 만들었습니다.Lu 등은 rGO가 3요오드화물 감소를 가속하는 데 촉매 역할을 할 뿐만 아니라 미립자와 rGO가 전체 시스템의 전하 전달 저항을 감소시키는 상승적 상호작용을 한다는 것을 발견했다.플래티넘 아날로그(NCS/rGO 시스템 효율: 8.96%, Pt 시스템 효율: 9.11%)보다는 다소 낮았지만 추가 연구가 가능한 플랫폼을 제공했다.

건설

원래 Grétzel 및 O'Regan 설계의 경우 셀은 3개의 주요 부분으로 구성됩니다.위에는 불소 도프된 이산화주석(SnO2:F)으로 만들어진 투명한 양극이 (일반적으로 유리) 판 뒷면에 퇴적되어 있습니다.이 전도성 판의 뒷면에는 이산화티타늄(TiO2)의 얇은 층이 있으며, 이 층은 매우 높은 표면적을 가진 다공질 구조로 형성되어 있습니다.(TiO2)는 소결이라고 하는 프로세스에 의해 화학적으로 결합됩니다.TiO는2 태양 광자의 극히 일부만을 흡수합니다.[22]그런 다음 플레이트는 감광성 루테늄 폴리피리딜 염료(분자[22] 감작제라고도 함)와 용제의 혼합물에 담근다.색소용액에 필름을 담근 후 TiO2 표면에 염료의 얇은 층을 공유 결합 상태로 둔다.결합은 에스테르, 킬레이트 또는 이원 브리지 결합입니다.

그런 다음 도전성 시트(일반적으로 백금 금속) 위에 요오드화 전해액의 얇은 층을 펼쳐 별도의 판을 만든다.그런 다음 전해질 누출을 방지하기 위해 두 플레이트를 접합하고 씰링합니다.수작업으로 만들 [23]수 있는 취미용 키트가 있을 정도로 구조가 간단하다.많은 "고급" 재료를 사용하지만, 비싼 제조 단계가 필요하지 않기 때문에 일반 셀에 필요한 실리콘에 비해 저렴합니다.예를2 들어, TiO는 이미 페인트 베이스로 널리 사용되고 있습니다.

효율적인 DSSC 장치 중 하나는 예를 들어 [Ru(4,4'-디카르복시-2,2'-비피리딘](2NCS)](2N3)로 카르복실산염 부분을 통해 포토아노드에 결합하는 루테늄계 분자 염료를 사용한다.포토아노드는 광자를 다시 투명막으로 산란시키는 훨씬 더 큰 (400 nm 직경) 입자의 4 μm 두께로 덮인 10~20 nm 직경의2 투명한 TiO 나노 입자의 12 μm 두께 필름으로 구성됩니다.들뜬 염료는 빛 흡수 후 전자를 TiO에2 빠르게 주입합니다.주입된 전자는 소결 입자 네트워크를 통해 확산되어 전면 투명 전도성 산화물(TCO) 전극으로 수집되며, 염료는 용액에 용해된 산화 환원 셔틀(I−/I3−)에 의해 환원되어 재생됩니다.셔틀의 산화형태를 대향전극으로 확산시키면 회로가 [24]완성된다.

DSSC 메커니즘

다음의 순서는, 종래의 n타입의 DSSC 광자(조명)를 전류로 변환합니다.

  1. 입사 광자는 광감작기에 의해 흡수된다(예:Ru complex)가 TiO2 표면에 흡착됩니다.
  2. 감광제는 그라운드 상태(S)에서 들뜸 상태(S∗)로 들뜸한다.들뜬 전자는 TiO2 전극의 전도 대역으로 주입됩니다.그러면 감광제(S+)가 산화됩니다.
    S + hµ → S∗

    (1)

    (2)

  3. TiO의2 전도 대역에 주입된 전자는 TiO 나노 입자 사이에서 후방2 접촉(TCO)으로 확산되어 운반됩니다.그리고 전자는 마침내 회로를 통해 대향전극에 도달합니다.
  4. 산화광증감제(S+)는 산화환원매개체(일반적으로− Iion redox mediator)로부터 전자를 받아 그라운드 상태(S)의 재생을 유도하고, 2개의− I-ion은 산화환원상태(I−)에 반응하는 소성요오드(I)로 산화된다3−.
    S+ + e− → S

    (3)

  5. 산화환원매개체 I는3− 대향전극을 향해 확산되어 I이온으로− 환원된다.
    I3− + 2− e → 3− I

    (4)

DSSC의 효율은 광감작기의 들뜸 상태(약 LUMO)와 접지 상태(HOMO), TiO2 전극의 페르미 수준 및 전해질 [25]내 매개체의 산화환원 전위−(I3−/I)의 4가지 에너지 수준에 따라 달라집니다.

나노플란트양형태학

DSSC에서 전극은 주로 TiO2 또는 ZnO인 소결 반도체 나노입자로 구성되었다.이들 나노입자 DSSC는 전자수송을 위해 반도체 나노입자를 통한 트랩 제한 확산에 의존한다.이로 인해 전송 속도가 느리기 때문에 디바이스 효율이 제한됩니다.재조합은 더 긴 파장의 방사선에서 발생할 가능성이 더 높다.또한 나노 입자의 소결은 약 450°C의 고온을 필요로 하므로 이러한 셀의 제작은 견고하고 견고한 고체 기판으로 제한됩니다.소결 나노 입자 전극을 이국적인 '나노플란트 유사' 형태학을 [26]가진 특수 설계 전극으로 대체하면 DSSC의 효율이 증가한다는 것이 입증되었습니다.

작동

기존의 n형 DSSC에서는 햇빛이 투명한 SnO를2 통해 셀로 들어갑니다.TiO2 표면에 염료를 칠하는 F 상단 접촉.흡수될 수 있을 만큼 충분한 에너지로 염료에 충돌하는 광자는 염료의 들뜬 상태를 만들고, 이 상태에서 전자는 TiO의2 전도 대역에 직접 주입될 수 있습니다.여기서부터 확산에 의해(전자 농도 구배의 결과) 상단의 투명한 양극으로 이동합니다.

한편, 염료 분자는 전자를 잃었고 만약 다른 전자가 제공되지 않는다면 분자는 분해될 것이다.염료는 TiO2 아래의 전해질에서 요오드화물을 제거하여 산화시켜 3요오드화물로 만든다.이 반응은 주입된 전자가 산화 염료 분자와 재결합하는 데 걸리는 시간에 비해 상당히 빠르게 일어나 태양 전지를 효과적으로 단락시키는 재결합 반응을 막습니다.

그런 다음, 3요오드화물은 셀의 바닥으로 기계적으로 확산되어 누락된 전자를 복구합니다. 여기서 대향 전극은 외부 회로를 통과한 후 전자를 다시 유입시킵니다.

효율성.

주요 기사:태양광 변환 효율

태양 전지의 특성화에는 몇 가지 중요한 측정이 사용된다.가장 분명한 것은 특정 양의 태양 에너지가 전지를 비추는 동안 생산된 총 전력량이다.백분율로 표현되는 이것은 태양 변환 효율로 알려져 있습니다.전력은 전류와 전압의 산물이므로 이러한 측정의 최대값(각각scoc J와 V)도 마찬가지입니다.마지막으로, 기초가 되는 물리학을 이해하기 위해, "양자 효율"은 (특정 에너지의) 하나의 광자가 하나의 전자를 만들 가능성을 비교하는데 사용된다.

양자 효율의 관점에서 DSSC는 매우 효율적입니다.나노 구조의 깊이 때문에 광자가 흡수될 가능성이 매우 높고, 염료는 전자로 변환하는 데 매우 효과적입니다.DSSC에 존재하는 대부분의 작은 손실은 TiO2 및 투명 전극의 전도 손실 또는 전면 전극의 광학 손실 때문입니다.녹색 빛에 대한 전체 양자 효율은 약 90%이며, "잃어버린" 10%는 상단 전극의 광학적 손실이 대부분을 차지한다.기존 설계의 양자 효율은 두께에 따라 다르지만 DSSC와 거의 동일합니다.

이론적으로, 그러한 셀에 의해 생성되는 최대 전압은 단순히 (준-) 사이의 차이입니다.TiO의2 페르미 수준과 전해액의 산화 환원 전위는 태양 조명 조건(Voc)에서 약 0.7V입니다.즉, 점등된 DSSC가 "단선"의 전압계에 연결되어 있는 경우 약 0.7V로 판독됩니다.전압 면에서는 DSSC가 실리콘보다 약간 높은oc V를 제공하며, 0.6V에 비해 약 0.7V입니다.이것은 매우 작은 차이이기 때문에, 실제의 차이는 현재 생산되고 있는 J에 의해서 좌우됩니다sc.

염료는 흡수된 광자를 TiO의2 자유 전자로 변환하는 데 매우 효율적이지만, 염료에 의해 흡수된 광자만이 궁극적으로 전류를 생성합니다.광자 흡수 속도는 감광 TiO층의2 흡수 스펙트럼과 태양 플럭스 스펙트럼에 따라 달라진다.이 두 스펙트럼 사이의 중첩에 따라 최대 광전류가 결정된다.일반적으로 사용되는 염료 분자는 실리콘에 비해 스펙트럼의 붉은 부분에서의 흡수가 약하며, 이는 현재 생성에 사용할 수 있는 햇빛의 광자 수가 적다는 것을 의미한다.이러한 요인은 DSSC에 의해 생성되는 전류를 제한하며, 비교를 위해 기존의 실리콘 기반 태양전지는 약 35mA2/cm를 제공하는 반면, 현재의 DSSC는 약 20mA/cm를2 제공한다.

현재 DSSC의 전체 피크 전력 변환 효율은 약 11%[27][28]입니다.시제품의 현재 기록은 15%[29][30]입니다.

열화

DSSC는 빛에 노출되면 열화됩니다.2014년에는 일반적으로 사용되는 비정질 Spiro-MeOTAD 홀 수송층의 공기 침투가 산화보다는 열화의 주요 원인으로 확인되었다.적절한 [31]장벽을 추가하면 손상을 방지할 수 있다.

장벽층에는 UV 안정제 및/또는 UV 흡수 발색단자(염료에 의해 재흡수될 수 있는 더 긴 파장으로 방출됨) [32]및 세포의 보호 및 효율을 개선하기 위한 항산화제가 포함될 수 있습니다.

이점

DSSC는 현재 이용 가능한 가장 효율적인[33] 제3세대(2005년 기초연구 태양 에너지 활용 16) 태양 기술이다.다른 박막 기술은 일반적으로 5%에서 13% 사이이며, 기존의 저비용 상용 실리콘 패널은 14%에서 17% 사이입니다.따라서 DSSC는 옥상 태양광 수집기와 같은 "저밀도" 응용 분야에서 기존 기술을 대체하기 위해 매력적입니다.여기서 유리가 필요 없는 수집기의 기계적 견고성과 가벼운 무게가 주요 장점입니다.고비용의 고효율 셀이 실행 가능한 대규모 배치에는 그다지 매력적이지 않을 수 있지만 DSSC 변환 효율이 조금만 증가해도 이러한 역할 중 일부에 적합할 수 있습니다.

DSSC가 특히 매력적인 또 다른 영역이 있습니다.전자를 TiO에2 직접 주입하는 과정은 전자가 원래 결정 내에서 "촉진"되는 전통적인 세포에서 발생하는 것과 질적으로 다릅니다.이론적으로, 낮은 생산 속도로 인해, 실리콘의 고에너지 전자는 전류가 생성되지 않는 광자(또는 다른 형태의 에너지)를 방출하면서 자신의 구멍과 다시 결합할 수 있습니다.이 특별한 경우는 흔하지 않지만, 다른 원자에 의해 생성된 전자가 이전의 광 들뜸에 남겨진 구멍과 결합하는 것은 매우 쉽다.

이에 비해 DSSC에서 사용되는 주입 프로세스에서는 TiO에2 구멍이 생기지 않고 여분의 전자만 도입됩니다.전자가 염료에 재결합하는 것은 에너지적으로 가능하지만, 이것이 일어나는 속도는 염료가 주변 전해질로부터 전자를 회복하는 속도에 비해 매우 느리다.TiO에서2 전해질 내 종으로 직접 재결합하는 것도 가능하지만 최적화된 장치의 경우 이 반응이 다소 [34]느립니다.반대로 백금피복전극에서 전해질 중 종으로의 전자전달은 매우 빠를 수밖에 없다.

이러한 바람직한 "차동 속도론"의 결과로 DSSC는 저조도 조건에서도 작동합니다.따라서 DSSC는 흐린 하늘과 직사광선이 없는 곳에서 작동할 수 있는 반면, 기존 설계는 전하 운반체 이동성이 낮고 재결합이 주요 문제가 될 때 조도 하한선에서 "컷아웃"을 겪습니다.차단이 너무 낮아서 심지어 실내용으로 제안되고 있으며,[35] 집안의 조명에서 작은 장치의 에너지를 모으고 있습니다.

DSSC가 대부분의 박막 기술과 공유하는 실질적인 이점은 셀의 기계적 견고성이 간접적으로 고온에서 더 높은 효율로 이어진다는 것입니다.반도체에서 온도가 상승하면 일부 전자가 "기계적으로" 전도 대역으로 촉진됩니다.전통적인 실리콘 전지의 취약성은 일반적으로 온실과 유사한 유리 상자에 금속의 강도를 뒷받침하는 방식으로 원소로부터 보호되어야 합니다.이러한 시스템은 셀이 내부에서 가열됨에 따라 효율성이 현저하게 저하됩니다.일반적으로 DSSC는 전면층에 얇은 도전성 플라스틱 층만 사용하여 제작되므로 열을 방출하기 쉬워지고 내부 온도가 낮아집니다.

단점들

DSSC 설계의 주요 단점은 온도 안정성에 문제가 있는 액체 전해액을 사용하는 것입니다.저온에서는 전해액이 동결되어 전력 생산이 중단되고 물리적 손상이 발생할 수 있습니다.온도가 높으면 액체가 팽창하여 패널을 밀봉하는 데 심각한 문제가 발생합니다.또 다른 단점은 DSSC를 생산하려면 값비싼 루테늄(염료), 백금(촉매), 전도성 유리 또는 플라스틱(접점)이 필요하다는 것입니다.세 번째 큰 결점은 전해액에 휘발성 유기화합물(VOC)이 함유되어 있다는 것입니다.용매는 인체 건강과 환경에 유해하므로 주의하여 밀봉해야 합니다.이는 용제가 플라스틱을 투과한다는 사실과 함께 대규모 실외 도포 및 유연한 [36]구조로의 통합을 방해하고 있습니다.

액체 전해질을 고체로 교체하는 것은 현재 진행 중인 주요 연구 분야입니다.고화된 용융염을 사용한 최근의 실험은 어느 정도 가능성이 있는 것으로 나타났지만, 현재 지속적인 작동 중에 더 높은 열화를 겪고 있으며 [37]유연하지 않다.

광전극 및 탠덤 셀

색소증감 태양전지는 광양극(n-DSC)으로 작동하며, 광전류는 감작색소에 의한 전자주입에서 발생한다.광전극(p-DSC)은 기존의 n-DSC에 비해 역모드로 동작하며, 여기서 염료 들뜸은 p형 반도체에서 염료로의 신속한 전자 전달(전자 주입 대신 염료 감응 홀 주입)이 이루어진다.이러한 p-DSC와 n-DSC를 결합하여 탠덤 태양전지(PN-DSC)를 구축할 수 있으며 탠덤 DSC의 이론적 효율은 단일 접합 DSC의 효율을 훨씬 웃돈다.

표준 탠덤 셀은 중간 전해질층을 가진 단순한 샌드위치 구성으로 1개의 n-DSC와 1개의 p-DSC로 구성됩니다.n-DSC와 p-DSC는 직렬로 연결되어 있으며, 이는 결과적으로 발생하는 광전류가 가장 약한 광전극에 의해 제어되는 반면 광전극은 부가적입니다.따라서 광전류 매칭은 매우 효율적인 탠덤 pn-DSC의 구축에 매우 중요합니다.그러나 n-DSC와 달리 염료 감응 홀 주입에 따른 빠른 전하 재조합은 일반적으로 p-DSC의 광전류가 낮아져 전체 소자의 효율성을 저해했다.

연구진은 수용체로서 페릴에모노이미드(PMI)와 공여체로서 트리페닐아민에 결합된 올리고티오펜으로 이루어진 염료를 사용함으로써 염료감응공 주입에 따른 전하 재조합률을 감소시킴으로써 p-DSC의 성능을 크게 향상시킨다는 것을 발견했다.연구진은 p-DSC 쪽에 NiO, n-DSC 쪽에 TiO를2 가진 탠덤 DSC 장치를 구축했다.광전류 매칭은 NiO 및 TiO2 막 두께를 조정하여 광흡수를 제어하여 두 전극의 광전류를 매칭합니다.장치의 에너지 변환 효율은 1.91%로 개별 구성 요소의 효율성을 초과하지만 고성능 n-DSC 장치(6%~11%)보다 훨씬 낮습니다.탠덤 DSC는 그 자체로 초보적이었기 때문에 결과는 여전히 유망하다.p-DSC의 퍼포먼스가 극적으로 향상되면 최종적으로 탠덤디바이스의 효율은 1대의 [38]n-DSC보다 훨씬 높아집니다.

앞서 언급한 바와 같이 고체 전해질을 사용하면 액체 시스템보다 몇 가지 이점이 있습니다(누출이 없고 전하 전송 속도가 빠름). 염료 감응형 광전극에도 해당됩니다.PCBM,[39]TiO2[40][41]과 ZnO[42] 기존의 액체 산화 환원 커플 전해질 대신 같은 전자 운송 재료를 사용하여, 연구원들, 고체 탠덤 염색 가능성이 액체 tand보다 훨씬 더 큰 photovoltages 달성해야 태양 전지, 민감을 목표로 하고 고체 p-DSCs(p-ssDSCs)을 만드는 것이 있다.em장치이다.[43]

발전

음이온성 루테르피리딘 착화체인 "검은 색소"

초기 실험 셀(1995년경)에 사용된 염료는 태양 스펙트럼의 고주파 끝, UV 및 파란색에서만 민감했다.훨씬 더 넓은 주파수 응답을 가진 새로운 버전이 빠르게 도입되었다(ca 1999년). 특히 빨간색과 적외선 저주파수 범위에 바로 효율적인 "트리스카르복시-루테늄 테르피리딘"[Ru(4,4'',4)(COOH)-3terpy)(NCS)].3스펙트럼 반응이 넓기 때문에 염료는 짙은 갈색-검은색을 띠며 단순히 "검은색 염료"[44]라고 불립니다.이 염료는 원래 약 80%의 광자를 전자로 변환할 가능성이 매우 높지만, 최근 염료에서는 거의 완벽한 변환으로 개선되었으며, 전체 효율은 약 90%이며, "잃은" 10%는 상단 전극의 광학적 손실이 대부분을 차지한다.

태양 전지는 효율(수명)의 현저한 저하 없이 최소 20년간 전기를 생산할 수 있어야 한다."흑색 염료" 시스템은 스위스의 10년간 태양에 노출되는 것과 같은 5,000만 사이클의 영향을 받았다.눈에 띄는 성능 저하가 관찰되지 않았습니다.그러나 밝은 상황에서는 염료가 분해될 수 있습니다.지난 10년 동안 이러한 우려를 해결하기 위해 광범위한 연구 프로그램이 수행되었습니다.새로운 염료에는 1-에틸-3 메틸미다졸륨 테트로시아노베이트[EMIB(CN)]4가 포함되었는데, 이는 매우 가볍고 온도에 안정적이며, 높은 변환 효율을 제공하는 구리-디셀렌[Cu(In,GA2)Se] 등이 다양한 특수 용도 특성을 가지고 있었다.

DSSC는 아직 개발 사이클의 시작 단계에 있습니다.효율성 향상이 가능하며 최근에는 더욱 광범위한 연구를 시작했습니다.여기에는 고에너지(고주파수) 빛을 다중 전자로 변환하기 위한 양자점 사용, 더 나은 온도 응답을 위한 고체 전해질 사용, 사용되는 전해질과 더 잘 일치하도록 TiO의2 도핑 변경 등이 포함됩니다.

새로운 개발

2003

에콜 폴리테크니크 페데랄 드 로잔(EPFL) 연구진은 준고체 겔 전해질과 함께 양친매성 루테늄 감작제를 사용해 DSC의 내열성을 높인 것으로 알려졌다.이 장치의 안정성은 기존의 무기 실리콘 기반의 태양 전지와 맞먹는다.셀은 80°C에서 1,000시간 동안 계속 가열되었습니다.

이 그룹은 이전에 루테늄 양성 염료 Z-907(시스-Ru(Hdcbpy2)(dnbpy)(NCS)2을 준비했는데, 여기서 리간드 Hdcbpy는2 4,4µ-디카르본산-2,2µ-비피리딘, dnbpy는 4,4µ-디-디코닐-2,2-비피리딘)이다.또한 광화학적으로 안정된 불소 폴리머인 폴리비닐디네플루오라이드-코헥사플루오로프로필렌(PVDF-HFP)에 의해 고화된 3-메톡시프로피오니트릴(MPN)계 액체 전해질을 가진 준고체 겔 전해질도 제조했다.

DSC에서 폴리머 겔 전해질과 함께 양친매성 Z-907 염료를 사용하면 에너지 변환 효율이 6.1%에 달했다.더 중요한 것은, 열적 스트레스와 빛에 흠뻑 젖었을 때 장치가 안정적이었다는 것입니다.셀의 높은 변환 효율은 80°C에서 1,000시간 동안 가열하여 초기 값의 94%를 유지했다.태양광 시뮬레이터에서 55°C(100mW cm−2)에서 1,000시간 동안 빛에 흠뻑 젖는 테스트를 가속한 결과 자외선 흡수 폴리머 필름으로 덮인 셀의 효율이 5% 미만으로 감소했습니다.이러한 결과는 전통적인 무기 실리콘 태양 전지의 한계 내에 있습니다.

폴리머 겔 전해질 도포로 인해 실란트 전체의 용제 투과가 감소하여 성능이 향상될 수 있습니다.폴리머겔 전해액은 상온에서 준고체이며, 기존 액체 전해액(점도: 0.91mPa·s)에 비해 80°C에서 점성액(점도: 4.34mPa·s)이 된다.DSC에서는 열적 스트레스와 빛에 흠뻑 젖었을 때 장치의 안정성이 크게 개선된 것을 볼 수 없으며, 실외용 태양 전지에 적용되는 내구성 기준과 일치하기 때문에 이러한 장치를 실제 [45][46]적용에 사용할 수 있다.

2006

최초의 성공적인 고체 하이브리드 색소 감응 태양 전지가 [37]보고되었다.

이러한 태양 전지의 전자 전달을 개선하기 위해, 염료 흡착에 필요한 높은 표면적을 유지하면서, 두 명의 연구자가 반도체 전도 대역을 통해 전극에 직접 경로를 제공하기 위해 나노와이어 배열, 나노입자 조합과 같은 대체 반도체 형태학을 설계했습니다.그러한 구조는 현재 성능이 [47]제한된 스펙트럼의 적색 영역에서 DSSC의 양자 효율을 개선할 수 있는 수단을 제공할 수 있다.

2006년 8월, 1-에틸-3 메틸리다졸륨 테트라시아노베이트 태양 전지의 화학적 및 열적 견고성을 증명하기 위해 연구진은 장치를 어두운 곳에서 80°C에서 1000시간 동안 가열한 후 60°C에서 1000시간 동안 빛을 적셨다.암열 및 광흡수 후 초기 태양광 발전 효율의 90%가 유지되었습니다. 이렇게 높은 변환 효율을 보이는 액체 전해액에서 이처럼 우수한 열 안정성이 관찰된 것은 이번이 처음입니다.온도 상승에 따라 성능이 저하되는 실리콘 태양전지와 달리 염료 감응형 태양전지 장치는 작동 온도를 주변 온도에서 60°C로 높일 때 영향을 거의 받지 않았습니다.

2007년 4월

뉴질랜드 매시 대학의 웨인 캠벨은 포르피린을 [48]기반으로 한 다양한 유기 염료를 실험해 왔다.자연에서, 포르피린은 식물의 엽록소와 동물의 헤모글로빈을 포함하는 헤모프로틴의 기본 구성 요소이다.그는 이러한 저가 [49]염료를 사용하여 약 5.6%의 효율성을 보고했습니다.

2008년 6월

Nature Materials에 게재된 기사에 따르면 전해질 용액으로 유기 용제를 사용하는 대안으로 세 개의 염분을 녹인 새로운 용제 무첨가 액체 산화 환원 전해액을 사용하여 8.2%의 세포 효율을 입증했습니다.이 전해질의 효율은 기존 요오드 기반 솔루션을 사용하여 전달되는 11%보다 낮지만, 팀은 효율성을 [50]개선할 수 있다고 확신합니다.

2009

조지아 공대 연구팀은 석영 광섬유로 [51][52]감싼 색소 감응형 태양전지를 유효 표면적이 더 높은 색소 감응형 태양전지로 만들었다.연구진은 광섬유에서 피복을 제거하고 표면을 따라 산화아연 나노와이어를 성장시켜 염료 분자로 처리한 뒤 전해질과 섬유에서 전자를 운반하는 금속막으로 섬유를 둘러쌌다.그 세포들은 같은 표면적을 [51]가진 산화아연 세포보다 6배 더 효율적이다.광자는 이동하면서 섬유 안에서 튀기 때문에 태양 전지와 상호작용하여 더 많은 전류를 발생시킬 수 있는 더 많은 기회가 있다.이 장치들은 끝부분에서만 빛을 모을 수 있지만, 미래의 섬유 셀은 파이버의 전체 길이를 따라 빛을 흡수할 수 있습니다. 따라서 전도성 및 투명 [51]코팅이 필요합니다.미시간 대학의 Max Shtein은 이러한 세포에는 태양 추적 시스템이 필요하지 않을 것이며 빛이 [51]확산되는 흐린 날에도 작동할 것이라고 말했다.

2010

에콜 폴리테크니크 페데랄 드 로잔과 퀘벡 대학 연구진은 DSC의 두 가지 주요 [53]이슈를 극복했다고 주장한다.

  • "새로운 분자"는 전해질을 위해 만들어졌고, 투명하고 부식되지 않는 액체나 겔을 만들어 광전압을 증가시키고 세포의 출력과 안정성을 향상시킬 수 있다.
  • 음극에서는 백금이 황화 코발트로 대체되었습니다. 황화 코발트는 훨씬 저렴하고 효율적이며 안정적이며 [54]실험실에서 생산하기 쉽습니다.

2011

Ridesol과 Tata Steel Europe는 6월에 연속적으로 [55]강철에 인쇄된 세계에서 가장 큰 염료 감응형 태양광 발전 모듈을 개발했다고 발표했습니다.

Nidesol과 CSIRO는 10월에 공동 Nidesol/CSIRO 프로젝트의 두 번째 이정표를 성공적으로 완료했다고 발표했습니다.Ridesol 디렉터의 Gordon Thompson은 "이 공동 작업 중에 개발된 재료는 성능과 안정성이 필수적인 다양한 애플리케이션에서 DSC의 상용화를 크게 진전시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.리졸은 표적 분자의 생산을 가능하게 하는 화학의 혁신에 매우 고무되어 있다.이를 통해 이러한 [56]신소재를 즉시 상업적으로 활용할 수 있습니다."

Ridesol과 Tata Steel Europe는 11월에 정부 보조금이 필요 없는 그리드 패리티 경쟁력 있는 BIPV 태양강 개발 목표를 발표했다.TATA-Dyesol "Solar Steel" 지붕은 현재 웨일즈 [57][58]숏튼의 SBEC(Sustainable Building Envelope Centre)에 설치되고 있습니다.

2012

Northwestern University 연구진은[59] DSSC의 주요 문제, 액체 전해질 사용 및 저장의 어려움 및 그에 따른 장치의 비교적 짧은 사용 수명에 대한 해결책을 발표했습니다.이것은 나노 기술을 사용하고 액체 전해질을 고체로 변환함으로써 달성된다.현재 효율은 실리콘 셀의 절반 정도이지만, 셀은 가볍고 잠재적으로 생산 비용이 훨씬 더 낮습니다.

2013

지난 5-10년 동안, 새로운 종류의 DSSC가 개발되었습니다. 고체 염료 감응형 태양 전지입니다.이 경우 액체 전해액은 여러 개의 고체 구멍 전도 재료 중 하나로 대체됩니다.2009년부터 2013년까지 솔리드 스테이트 DSSC의 효율은 4%에서 15%로 대폭 향상되었습니다.Michael Grétzel은 하이브리드 페로브스카이트 CHNHPbI333 염료를 사용하여 15.0% 효율의 솔리드 스테이트 DSSC를 제조했으며, CHNHI와 PbI의2 [30]분리33 용액에서 이어서 증착했다고 발표했습니다.

최초의 아키텍처 통합은 EPFL의 스위스에서 시연되었습니다.Romande Energie와 제휴한 Tech Convention Center.총 표면은 50cm x 35cm의 1400개의 모듈로 300m입니다2.아티스트 다니엘 슐레퍼와 캐서린 [60]볼레에 의해 디자인되었습니다.

2018

연구진은 염료감응형 태양전지의 성능에서 금나노로드에 존재하는 표면 플라즈몬 공명의 역할을 조사했다.그들은 나노로드 농도가 증가함에 따라 광 흡수가 선형적으로 증가한다는 것을 알아냈다. 그러나 전하 추출 또한 농도에 의존했다.최적화된 농도로 Y123 염료 감응형 태양 [61]전지의 전체 전력 변환 효율이 5.31%에서 8.86%로 향상되었습니다.

불소 도프된 산화 주석 유리기판에서 직접 1차원 TiO2 나노구조를 합성하는 것은 투스톱 용해열 [62]반응을 통해 성공적으로 입증되었다.또한 TiO2 sol 처리를 통해 듀얼 TiO2 나노와이어 셀의 성능이 향상되어 전력 변환 효율이 7.65%[63]에 달했습니다.

DSSC용 스테인리스강 기반 대극은 기존의 백금 기반 대극에 비해 비용을 더욱 절감하며 야외에서 [64][65]사용하기에 적합한 것으로 보고되었습니다.

EPFL 연구진은 표준 AM1.5G, 100mW/cm2 조건에서 13.1%의 효율을 달성하고 1000룩스의 실내 [66][67]조명 조건에서 32%의 효율을 기록한 구리 복합체 레독스 전해질을 기반으로 DSSC를 발전시켰습니다.

웁살라 대학의 연구원들은 고체 상태의 P형 염료 감응 태양 [42][41]전지를 만들기 위해 산화 환원 전해질 대신 n형 반도체를 사용했다.

시장 소개

몇몇 상용 프로바이더는 가까운 [68]장래에 DSC의 가용성을 약속하고 있습니다.

  • 후지쿠라는 IoT, 스마트 팩토리, 농업 및 인프라 모델링에 사용되는 DSSC의 주요 공급업체입니다.(https://www.fujikura.co.jp/eng/newsrelease/products/2062445_11777.html) 및 (https://dsc.fujikura.jp/en/) 를 참조해 주세요).
  • Ridesol은 2008년 10월 7일 호주 콴베얀에 새로운 제조 시설을 공식적으로 열었다.이후 타타스틸(TATA-Dyesol) 및 필킹턴글라스(Dyetec-Solar)와 DSC BIPV 개발 및 대규모 제조를 위한 파트너십을 발표했다.염솔은 머크, 우미코어, CSIRO, 일본 경제통상성, 싱가포르 항공우주제조, TIMO코리아(대솔-TIMO)[69][70]와의 합작 사업에도 진출했다.
  • 1993년부터 DSC 재료 생산을 전문으로 하는 스위스 기업인 솔라로닉스는 2010년 DSC [71]모듈 제조 시범 라인을 유치하기 위해 사업장을 확장했다.
  • SolarPrint는 2008년 마자르 바리 박사, Andre Fernon, Roy Horgan에 의해 아일랜드에서 설립되었습니다.SolarPrint는 아일랜드에 본사를 둔 최초의 PV 기술 제조 사업체였다.SolarPrint의 혁신은 DSSC의 대량 상용화를 금지한 용제 기반 전해질에 대한 해결책이었습니다.그 회사는 2014년에 경영에 들어갔고 파산했다.
  • G24 이노베이션은 2006년 영국 사우스웨일스주 카디프를 거점으로 설립되었습니다.2007년 10월 17일, 최초의 상업용 염료 감광 [72][73]박막의 생산을 주장했다.
  • 소니는 에너지 변환 효율이 상업용으로 필요한 10%의 염료 감응형 태양전지를 개발했다.
  • Tasnee가 Ridesol과 [74]전략적 투자 계약을 체결했습니다.
  • H.Glass는 2011년 스위스에서 설립되었습니다.H.Glass는 DSSC 기술을 위한 산업 공정을 만들기 위해 엄청난 노력을 기울였습니다. 이 첫 번째 성과는 밀라노에서 열린 2015년 오스트리아 전시관에서 볼 수 있었습니다.DSSC의 이정표는 SFL 기술에 의해 수행된 세계에서 가장 큰 DSSC 설치인 오스트리아의 Science Tower입니다.
  • 스웨덴의 Execger Operations AB는 스톡홀름에 300,000m2의 공장을 건설했습니다.소프트뱅크 그룹는 2019년 동안 Execger에 두 차례에 걸쳐 1,000만 달러를 투자했다.[1]

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크

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