Сенсибилизированный красителем солнечный элемент ( DSSC , DSC , DYSC [ 1] или элемент Гретцеля ) — это недорогой солнечный элемент, принадлежащий к группе тонкопленочных солнечных элементов . [2] Он основан на полупроводнике , образованном между фотосенсибилизированным анодом и электролитом , фотоэлектрохимической системой. Современная версия солнечного элемента на красителе, также известная как элемент Гретцеля, была первоначально изобретена в 1988 году совместно Брайаном О'Реганом и Майклом Гретцелем в Калифорнийском университете в Беркли [3], а позже эта работа была развита вышеупомянутыми учеными из Школы. Федеральный политехнический институт Лозанны (EPFL) до публикации первого высокоэффективного DSSC в 1991 году. [4] Михаэль Гретцель был удостоен Премии тысячелетия в области технологий 2010 года за это изобретение. [5]
DSSC имеет ряд привлекательных особенностей; его легко изготовить с использованием традиционных методов рулонной печати, он полугибкий и полупрозрачный, что позволяет использовать его в различных целях, недоступных для систем на основе стекла, а большинство используемых материалов недороги. На практике оказалось трудно отказаться от ряда дорогостоящих материалов, особенно платины и рутения , а жидкий электролит представляет собой серьезную проблему для создания элемента, пригодного для использования в любую погоду. Хотя его эффективность преобразования ниже, чем у лучших тонкопленочных элементов , теоретически его соотношение цена/производительность должно быть достаточно хорошим, чтобы позволить им конкурировать с выработкой электроэнергии на ископаемом топливе за счет достижения паритета в сети . Коммерческое применение, которое было приостановлено из-за проблем с химической стабильностью, [6] согласно прогнозам Дорожной карты Европейского Союза по фотоэлектрической энергии , внесет значительный вклад в производство возобновляемой электроэнергии к 2020 году.
В традиционном твердотельном полупроводнике солнечный элемент состоит из двух легированных кристаллов, один из которых легирован примесями n-типа ( полупроводник n-типа ), которые добавляют дополнительные свободные электроны в зоне проводимости , а другой легирован примесями p-типа (полупроводник n-типа). полупроводник p-типа ), которые добавляют дополнительные электронные дырки . При контакте некоторые электроны из части n-типа перетекают в часть p-типа, чтобы «заполнить» недостающие электроны, также известные как электронные дырки. В конце концов через границу перетечет достаточно электронов, чтобы выровнять уровни Ферми двух материалов. В результате образуется область на границе раздела, p – n-переход , где носители заряда обеднены и/или накоплены на каждой стороне интерфейса. В кремнии этот перенос электронов создает потенциальный барьер примерно от 0,6 до 0,7 эВ. [7]
При попадании на солнце фотоны солнечного света могут возбуждать электроны на стороне полупроводника p-типа — процесс, известный как фотовозбуждение . В кремнии солнечный свет может обеспечить достаточно энергии, чтобы вытолкнуть электрон из валентной зоны с более низкой энергией в зону проводимости с более высокой энергией . Как следует из названия, электроны в зоне проводимости могут свободно перемещаться по кремнию. Когда нагрузка размещается по всей ячейке в целом, эти электроны будут перетекать со стороны p-типа на сторону n-типа, терять энергию при движении по внешней цепи, а затем перетекать обратно в материал p-типа, где они могут снова воссоединиться с дырой в валентной зоне, которую они оставили после себя. Таким образом, солнечный свет создает электрический ток. [7]