PL239551B1 - Barwnikowe ogniwo słoneczne - Google Patents
Barwnikowe ogniwo słoneczne Download PDFInfo
- Publication number
- PL239551B1 PL239551B1 PL424418A PL42441818A PL239551B1 PL 239551 B1 PL239551 B1 PL 239551B1 PL 424418 A PL424418 A PL 424418A PL 42441818 A PL42441818 A PL 42441818A PL 239551 B1 PL239551 B1 PL 239551B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- dye
- layer
- solar cell
- photoelectrode
- lithium titanate
- Prior art date
Links
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 229910000480 nickel oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N oxonickel Chemical compound [Ni]=O GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 claims abstract description 8
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims description 7
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 15
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 4
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 230000011712 cell development Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 1
- XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N hydrogen iodide Chemical compound I XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000009768 microwave sintering Methods 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 230000001443 photoexcitation Effects 0.000 description 1
- 230000029553 photosynthesis Effects 0.000 description 1
- 238000010672 photosynthesis Methods 0.000 description 1
- 230000000243 photosynthetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- WRTMQOHKMFDUKX-UHFFFAOYSA-N triiodide Chemical compound I[I-]I WRTMQOHKMFDUKX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Hybrid Cells (AREA)
Abstract
Barwnikowe ogniwo słoneczne charakteryzuje się tym, że fotoelektroda składa się ze szklanej płytki (2) z warstwą transparentnego tlenku przewodzącego TCO (3) oraz półprzewodnika typu n w postaci nanokrystalicznego tlenku niklu z zaadsorbowanym barwnikiem (4), do którego przylega cienka warstwa materiału transportującego dziury (5), którą stanowi warstwa tytanianu litu z domieszkami metali przejściowych, na której umieszczona jest metalowa elektroda (6), przy użyciu której elektrony oddawane są do zewnętrznego obwodu.
Description
Przedmiotem wynalazku jest barwnikowe ogniwo słoneczne, czyli urządzenie fotoelektrochemiczne, służące do przemiany energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną, w którym nie ma typowego złącza p-n, a jego działanie opiera się na odwracalnym procesie fotochemicznym, posiadające walory architektoniczne umożliwiające ich zastosowanie w budownictwie oraz motoryzacji.
Przez długi czas istniało przekonanie, iż efektywnie zjawisko fotowoltaiczne można wykorzystać tylko w ogniwach zawierających złącze p-n. Przełom nastąpił w 1991 roku, kiedy Michael Gratzel udowodnił, że zjawisko fotowoltaiczne można wykorzystać również w ogniwach fotoelektrochemicznych, czyli ogniwach w strukturze których nie występuje typowe złącze p-n. Ogniwa te stanowią odpowiednik naturalnych systemów fotosyntetycznych. Różnica polega na tym, że stosowane w nich układy donorowo-akceptorowe, energię światła przekształcają w prąd elektryczny, a nie w energię chemiczną jak ma to miejsce w procesie fotosyntezy. W wyniku absorpcji światła przez chemisorbowaną monowarstwę barwnika następuje wzbudzenie elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Fotowzbudzone elektrony zostają „wstrzyknięte” do pasma przewodnictwa nieorganicznego półprzewodnika o szerokiej przerwie energetycznej, a następnie odprowadzone do elektrody. Przepływ elektronów pomiędzy elektrodami (fotoelektrodą i przeciwelektrodą) zapewnia elektryczny obwód zewnętrzny. Barwnik, w wyniku fotowzbudzenia, zostaje utleniony. Jego jony regenerowane są na powierzchni przeciwelektrody dzięki elektronom pochodzącym z elektrolitu zawierającego pary redoks. Elektrolit wypełniający powierzchnię między warstwą półprzewodnika, a anodą to zwykle roztwór zawierający układ redoks I-/I3-. Zadaniem elektrolitu jest przekazanie elektronu do utlenionego barwnika, tak by wrócił on do stanu podstawowego. Aktualnie najczęściej stosowanym i najbardziej efektywnym jest ciekły elektrolit bazujący na związku pary redoks jodek/trójjodek zawierający różnego rodzaju organiczne rozpuszczalniki. Niedogodnością elektrolitu w stanie ciekłym jest możliwość jego odparowywania oraz wyciekania. Powoduje to znaczne obniżenie żywotności i sprawności barwnikowych ogniw fotowoltaicznych. W związku z powyższym nastąpiła intensyfikacja badań nad zastąpieniem ciekłego elektrolitu.
Dotychczas znane są próby zastosowania tytanianu litu w fotoanodzie barwnikowego ogniwa fotowoltaicznego z publikacji [HU Xue-Mei, GU Zheng-Ying, LI Xiao-Min, GAO Xiang-Dong, SHI Ying, Hybrid Photoanodes Based on Nanoporous Lithium Titanate Nanostructures in Dye-sensitized Solar Cells, Journal of Inorganic Materials, 30/10 (2015) 1037]. Znane są również próby zastosowania tlenku niklu w fotoanodzie barwnikowego ogniwa fotowoltaicznego [Gibson, Elizabeth A.; Awais, Muhammad; Dini, Danilo; Dowling, Denis P.; Pryce, Mary T.; Vos, Johannes G.; Boschloo, Gerrit; Hagfeldt, Anders, Dye sensitised solar cells with nickel oxide photocathodes prepared via scalable microwave sintering, Physical Chemistry Chemical Physics, 15 (2013) 2411-2420].
Wykonany przegląd zagadnienia (z ang. state of the art) wskazuje, że znane są przykłady zastosowania tytanianu litu jako fotoanody, jednak nie opublikowano zastosowania tytanianu litu domieszkowanego metalami przejściowymi jako elementu składowe go fotoanody i w przedstawionej poniżej konfiguracji.
Celem wynalazku jest rozszerzenie możliwości zastosowania barwnikowego ogniwa słonecznego, zminimalizowanie strat konwersji energii słonecznej na elektryczną związanych z wyciekiem elektrolitu i poprawa stabilności pracy ogniwa.
Cel ten osiągnięto dzięki zastąpieniu ciekłego elektrolitu cienką warstwą tytanianu litu domieszkowanego metalami przejściowymi oraz zastąpienie cienkiej warstwy dwutlenku tytanu nanokrystaliczną warstwą tlenku niklu.
Barwnikowe ogniwo słoneczne według wynalazku charakteryzuje się tym, że fotoelektroda składa się ze szklanej płytki z warstwą transparentnego tlenku przewodzącego TCO oraz półprzewodnika typu n w postaci nanokrystalicznego tlenku niklu z zaadsorbowanym barwnikiem, korzystnie N3, do którego przylega cienka warstwa materiału transportującego dziury, którą stanowi warstwa tytanianu litu (Li4Ti5O12) domieszkowanego niobem (Nb) z domieszkami metali przejściowych, na której umieszczona jest metalowa elektroda, przy użyciu której elektrony oddawane są do zewnętrznego obwodu.
Zaletą rozwiązania według wynalazku jest wyeliminowanie problemów związanych z użyciem ciekłego elektrolitu, ograniczenie zmian ruchliwości jonów w niskich temperaturach, co skutkowało spadkiem wydajności ogniwa, rozszerzenie możliwości zastosowania barwnikowego ogniwa słonecznego i poprawy stabilności pracy dzięki zastąpieniu ciekłego elektrolitu cienką warstwą tytanianu litu
PL 239 551 B1 domieszkowanego metalami przejściowymi, zmniejszenie kosztów «stwarzania ogniwa poprzez wyeliminowanie konieczności stosowania przeciw elektrody z drogą i kruchą platyną co doprowadziło do uproszczenia jego konstrukcji.
Przedmiot wynalazku został pokazany w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia ogniwo słoneczne w przekroju w ujęciu schematycznym.
Promieniowanie słoneczne 1 oświetla fotoelektrodę, która składa się ze szklanej płytki 2 z warstwą transparentnego tlenku przewodzącego TCO 3 oraz półprzewodnika typu n w postaci nanokrystalicznego tlenku niklu z zaadsorbowanym barwnikiem 4, następnie na fotoelektrodzie osadzona jest cienka warstwa materiału transportującego dziury 5, którą stanowi warstwa tytanianu litu z domieszkami metali przejściowych, na której osadzona jest metalowa elektroda 6 przy użyciu której elektrony oddawane są do zewnętrznego obwodu.
P r z y k ł a d
Na płytkę szklaną z warstwą TCO osadzono metodą wirową z prędkością 3000 obr./min warstwę tlenku niklu. Następnie na płytkę szkło/TCO/NiO osadzono barwnik N3 przez zanurzenie jej w 3 x 10-3M roztworze barwnika z alkoholem etylowym o temperaturze 40°C w czasie 4 godzin. Na tak przygotowane podłoże metodą rozpylania magnetronowego przy częstotliwości radiowej (RFMS) osadzono tytanian litu (Li4Ti5O12) domieszkowany niobem (Nb) stosując następujące warunki procesu:
• moc na zasilaczu P = 250 W (dla Li4Ti5O12) oraz P = 200 W (dla Nb), • ciśnienie w komorze urządzenia p = 0,4 Pa, • temperatura procesu T = 200°C, • czas nanoszenia warstwy wynosił t = 2700 s
Na tak przygotowaną strukturę wielowarstwową naparowuje się kontakty metaliczne.
Efektem technicznym rozwiązania według wynalazku jest zmniejszenie kosztów wytwarzania ogniwa poprzez wyeliminowanie konieczności stosowania przeciwelektrody z drogą i kruchą platyną co doprowadziło do uproszczenia jego konstrukcji oraz rozszerzenie możliwości zastosowania barwnikowego ogniwa słonecznego i poprawy stabilności pracy dzięki zastąpieniu ciekłego elektrolitu cienką warstwą tytanianu litu domieszkowanego metalami przejściowymi.
Zastrzeżenie patentowe
Claims (1)
- Zastrzeżenie patentowe1. Barwnikowe ogniwo słoneczne składające się z fotoelektrody, półprzewodnika typu n, elektrod, znamienne tym, że fotoelektroda składa się ze szklanej płytki (2) z warstwą transparentnego tlenku przewodzącego TCO (3) oraz półprzewodnika typu n w postaci nanokrystalicznego tlenku niklu z zaadsorbowanym barwnikiem (4), korzystnie N3, do którego przylega cienka warstwa materiału transportującego dziury (5), którą stanowi warstwa tytanianu litu (Li4Ti5O12) domieszkowanego niobem (Nb) i domieszkami metali przejściowych, na której umieszczona jest metalowa elektroda (6), przy użyciu której elektrony oddawane są do zewnętrznego obwodu.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL424418A PL239551B1 (pl) | 2018-01-30 | 2018-01-30 | Barwnikowe ogniwo słoneczne |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL424418A PL239551B1 (pl) | 2018-01-30 | 2018-01-30 | Barwnikowe ogniwo słoneczne |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL424418A1 PL424418A1 (pl) | 2019-08-12 |
| PL239551B1 true PL239551B1 (pl) | 2021-12-13 |
Family
ID=67549952
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL424418A PL239551B1 (pl) | 2018-01-30 | 2018-01-30 | Barwnikowe ogniwo słoneczne |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL239551B1 (pl) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060008580A1 (en) * | 2000-11-24 | 2006-01-12 | Gabrielle Nelles | Hybrid solar cells with thermal deposited semiconductive oxide layer |
| US20090229667A1 (en) * | 2008-03-14 | 2009-09-17 | Solarmer Energy, Inc. | Translucent solar cell |
| PL225486B1 (pl) * | 2014-12-05 | 2017-04-28 | Politechnika Śląska | Krzemowe ogniwo fotowoltaiczne i sposób jego wytwarzania |
-
2018
- 2018-01-30 PL PL424418A patent/PL239551B1/pl unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL424418A1 (pl) | 2019-08-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gao et al. | An all-inorganic lead halide perovskite-based photocathode for stable water reduction | |
| Calogero et al. | A new type of transparent and low cost counter-electrode based on platinum nanoparticles for dye-sensitized solar cells | |
| Jiang et al. | Nickel-cathoded perovskite solar cells | |
| Kumara et al. | Dye-sensitized solid-state solar cells: use of crystal growth inhibitors for deposition of the hole collector | |
| Zhao et al. | Solvent-free ionic liquid/poly (ionic liquid) electrolytes for quasi-solid-state dye-sensitized solar cells | |
| Cao et al. | Interfacial engineering for high-efficiency nanorod array-structured perovskite solar cells | |
| Yang et al. | In situ grown vertically oriented CuInS 2 nanosheets and their high catalytic activity as counter electrodes in dye-sensitized solar cells | |
| Zatirostami | A new electrochemically prepared composite counter electrode for dye-sensitized solar cells | |
| Fan et al. | Fabrication and photoelectrochemical properties of TiO2 films on Ti substrate for flexible dye-sensitized solar cells | |
| Chen et al. | High catalytic activity of a PbS counter electrode prepared via chemical bath deposition for quantum dots-sensitized solar cells | |
| Lin et al. | Flexible dye-sensitized solar cells with one-dimensional ZnO nanorods as electron collection centers in photoanodes | |
| Congiu et al. | Single precursor route to efficient cobalt sulphide counter electrodes for dye sensitized solar cells | |
| Sun et al. | Photovoltaic performance improvement of dye-sensitized solar cells through introducing In-doped TiO2 film at conducting glass and mesoporous TiO2 interface as an efficient compact layer | |
| Yugis et al. | Review on metallic and plastic flexible dye sensitized solar cell | |
| Song et al. | Effect of incorporation of reduced graphene oxide on ZnO-based dye-sensitized solar cells | |
| CN104979098B (zh) | 染料敏化太阳能电池的对电极的制备方法 | |
| Feng et al. | A ZnO/TiO2 composite nanorods photoanode with improved performance for dye‐sensitized solar cells | |
| Sun et al. | One-step synthesis of coaxial Ag/TiO2 nanowire arrays on transparent conducting substrates: enhanced electron collection in dye-sensitized solar cells | |
| Andrade et al. | Impedance characterization of dye-sensitized solar cells in a tandem arrangement for hydrogen production by water splitting | |
| Rho et al. | Carbon-doped freestanding TiO 2 nanotube arrays in dye-sensitized solar cells | |
| US9039881B2 (en) | Working electrode, method for fabricating the same and dye-sensitized solar cell containing the same | |
| Zhao et al. | Efficient light-scattering functionalized TiO 2 photoanodes modified with cyanobiphenyl-based benzimidazole for dye-sensitized solar cells with additive-free electrolytes | |
| Saurdi et al. | Preparation of Aligned ZnO Nanorod Arrays on Sn‐Doped ZnO Thin Films by Sonicated Sol‐Gel Immersion Fabricated for Dye‐Sensitized Solar Cell | |
| Ahmad et al. | Towards flexibility: metal free plastic cathodes for dye sensitized solar cells | |
| Han et al. | A high efficiency dye-sensitized solar cell with a UV-cured polymer gel electrolyte and a nano-gel electrolyte double layer |