用于染料敏化太阳能电池的钌基染料

作者:Dr. Hans Desilvestro 和Dr. Yanek Hebting

Dyesol Ltd., 3 Dominion Place, Queanbeyan NSW 2620 AUSTRALIA
 

 染料敏化太阳能电池的工作原理

染料敏化太阳能电池(DSC)是第三代太阳能电池,结合了高效率和低生产成本。虽然现在DSC可以实现高达11%的光电转换,1-3 但通过优化材料,采用新颖的电池以及模块架构,人们可以展望进一步的重大改进。此外,DSC设备可以采用半透明形式,以便尽可能地从所有角度和方向收集光线,为建筑物或小型设备中的光伏窗铺平了道路。

图1所示的示意图描述了DSC的工作原理:                                                         DSC系统中电子通路的示意图

  • 光线被染料单分子层吸收,其通过化学吸附吸附在纳米晶TiO2薄膜上,促进电子从Ru2 +基态转变为激发态(Ru2 *)。
  • 激发电子然后在非常短的时间(皮秒到飞秒)内跃迁到TiO2导带(CB)中。实现有效电荷分离,二氧化钛相内带负电荷,表面吸附的Ru 3+上带正电荷。
  • 然后,Ru3 +通过电解质体系中存在的碘阴离子(I-)实现迅速还原(纳秒内)。前一步中进入TiO2中的电子通过纳米网络粒子进行扩散,直到到达用于收集电流的导电表面,例如,玻璃、塑料或金属基材上的导电透明氧化物薄层。
  • 从光电阳极提取的电荷作为电流可用于提供有用的电力。
  • 为了实现闭合电路,负电荷被引导到反电极(CE)表面,其中I3¯被还原到I-。因此在DSC内不会发生纯化学反应。

与硅基太阳能电池等标准固态光伏器件的运行相比,DSC的运行更接近光合作用过程。与光合作用一样,DSC中光转换的有效性取决于反应的相对速度,即动力学。电子注入到二氧化钛导带这一过程比电子松弛过程回到基态或涉及染料激发态的化学副反应要快得多。此外,I¯还原氧化染料(Ru3+)比注入电子和Ru3+之间的直接重组反应要快得多4
 

 钌染料

在染料敏化太阳能电池中,染料是高功率转换效率的关键组件之一。近年来,为了提高系统的性能,人们在新型染料结构工程中已经取得了相当大的进展。具体而言,人们开发了一系列基于N-3染料首创钌的两亲同系物。与N-3染料相比,两亲性染料显示出几个优点,例如:

  1. 结合部分具有较高基态pKa,因此可以在较低pH值下,增强二氧化钛表面上的静电结合,

  2. 染料上的电荷减少,减弱了被吸附的染料单元之间的静电排斥,从而增加了染料加载量

  3. 增加太阳能电池对水诱导染料解吸的稳定性,

  4. 这些配合物的氧化电位与N-3敏化剂相比向阴极转移,增加了钌III / II对的可逆性,实现了稳定性的增强。5

N-3 C26H16N6O8RuS2 Mol Wt: 705.64

N-3
C26H16N6O8RuS2
分子量:705.64

N-719 C58H86N8O8RuS2 Mol Wt: 1188.55

N-719
C58H86N8O8RuS2
Mol Wt: 1188.55
 

Z-907 C42H52N6O4RuS2 Mol Wt: 870.10

Z-907
C42H52N6O4RuS2
Mol Wt: 870.10

 

图2.钌基N-3、N-719和Z-907染料。
 

表1:由Sigma-Aldrich Materials Science提供的Dyesol® 染料。

同义词 产品 说明 货号
N-3 顺式-双(异硫氰酸)双(2,2’-二吡啶基-4,4’-二甲酸)钌(II) 用于DSSCs的首创染料

敏化宽带隙半导体,如氧化钛,直至波长700 nm。

703206
N-719 二(四丁基铵) 顺式-双(异硫氰基)双(2,2'-联吡啶-4,4'-二羧酸)钌(II) 改性染料以提高器件电压。

深入研究的高性能染料。

703214
Z-907 顺式-双(异硫氰基)(2,2'-联吡啶基-4,4'-二羧基)(4,4'-二-壬基-2'-联吡啶基)钌(II) 疏水性染料。

可以非常高效地敏化750 nm之下的宽带隙氧化钛。

703168

基于钌的染料表现出配体中心电荷转移(LCCT)跃迁(π-π*)以及金属配体电荷转移(MLCT)跃迁(4d-π*),具体可见N-719和Z-907染料UV / Vis光谱(图3)。较低能量的吸收带代表MLCT跃迁(λ1和λ2),而能量需求更大的跃迁(λ3和λ4)对应于LCCT跃迁。6

图3. N-719(货号703214)和Z-907(货号703168)染料的UV /Vis光谱。

图3. N-719(货号703214)和Z-907(货号703168)染料的UV /Vis光谱。
 

 DSC 电池Dyesol translucent test cell manufactured with N-719

图4显示了用N-719染料制备的Dyesol测试池硬件7,8,活性面积为0.88cm 2(8mm×11mm)的半透明DSC。橙色区域是染料改性二氧化钛的结果;黄色由系统电解质给出。

 

 

 


 

 JV曲线

在三个不同的日照水平下进行(1个日照水平对应于100 mW cm-2)测试时,标准测试电池对应于如图5所示的典型JV曲线。最大功率点处的电压V和电流密度J(mA cm-2)由Vmax 和 Jmax表示。因此,效率可以通过以下方式计算:

η (%) = (Vmax x Jmax) / (日照水平)

N-719和Z-907基于染料的DSC装置的JV曲线

对于商业上相关的低挥发性电解质体系而言,典型的短路电流在全日照水平下分别为15.5 mA cm-2和13.7 mA cm-2,N-719和Z-907的效率分别为5.7%和4.8%。与全日照水平效率相比,DSC系统在日照水平较低时的效率对应于:N-719为7.8%(5.2 mA cm-2)和7.6%(1.5 mA cm-2);Z-907为6.9%(4.8  mA cm-2)和6.9%(1.4  mA cm-2),分别对应1/3的日照水平和1/10的日照水平。

 

 参考文献

  1. Chiba, Y.; Islam, A. ; Watanabe, Y. ; Komiya, R.; Koide, N. ; Han, L. Jpn. J. Appl. Phys200645, L638.
  2. Grätzel, M. J. Photochem. Photobiol., A 2004164, 3.
  3. Chiba, Y.; Islam, A.; Kakutani, K. ; Komiya, R.; Koide, N.; Han, L. 15th International Photovoltaic Science & Engineering Conference (PVSEC-15), Shanghai, China, 2005, Technical Digest, p.665.
  4. Grätzel M. Inorg. Chem200544, 6841.
  5. Klein, C.; Nazeeruddin, Md. K.; Di Censo, D.; Liska, P.; Grätzel, M. Inorg. Chem200443, 4216.
  6. Hirata, N.; Lagref, J. J.; Palomares, E. J.; Durrant, J. R.; Nazeeruddin, Md. K. ; Grätzel, M.; Di Censo, D. Chem. Eur. J200410, 595.
  7. Dyesol Research, Development and Prototyping Solutions Page. http://www.dyesol.com/index.php?page=Equipment (accessed April 17th 2009)
  8. Dyesol Glass Test Plates Page. https://secure.dyesol.com/index.php?template=TestCell (accessed April 17th 2009)