Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Гибридные солнечные элементы сочетают в себе преимущества как органических, так и неорганических полупроводников . В гибридных фотоэлектрических элементах используются органические материалы, состоящие из сопряженных полимеров, которые поглощают свет в качестве донорных и транспортных отверстий . [1] Неорганические материалы в гибридных клетках используются в качестве акцептора и переносчика электронов в структуре. Гибридные фотоэлектрические устройства имеют потенциал не только низкой стоимости за счет обработки рулонов, но и масштабируемого преобразования солнечной энергии .

Теория [ править ]

Солнечные элементы - это устройства, преобразующие солнечный свет в электричество с помощью фотоэлектрического эффекта . Электроны в солнечном элементе поглощают энергию фотонов солнечного света, который возбуждает их в зону проводимости из валентной зоны . Это создает пару дырка-электрон , которая разделена потенциальным барьером (например, pn-переходом ), и индуцирует ток. Органические солнечные элементы используют в своих активных слоях органические материалы. Молекулярные, полимерные и гибридные органические фотоэлектрические элементы являются основными видами органических фотоэлектрических устройств, которые в настоящее время изучаются.

Гибридная солнечная батарея [ править ]

Рис. 1. Энергетическая диаграмма донора и акцептора. Зона проводимости акцептора ниже, чем НСМО полимера, что позволяет переносить электрон.

В гибридных солнечных элементах органический материал смешивается с материалом с высоким переносом электронов для образования фотоактивного слоя. [2] Два материала собраны вместе в фотоактивный слой типа гетероперехода , который может иметь более высокую эффективность преобразования энергии, чем один материал. [3] Один из материалов действует как поглотитель фотонов и донор экситонов . Другой материал способствует диссоциации экситона на переходе. Заряд переносится и затем разделяется после того, как экситон, созданный в доноре, делокализован на донорно-акцепторном комплексе. [4] [5]

Материал акцептора нуждается в соответствующем смещении энергии к энергии связи экситона с поглотителем. Перенос заряда является благоприятным, если выполняется следующее условие: [6]

где верхние индексы A и D относятся к акцептору и донору соответственно, E A - сродство к электрону, а U - кулоновская энергия связи экситона на доноре. Энергетическая диаграмма границы раздела показана на рисунке 1. В обычно используемых фотоэлектрических полимерах, таких как MEH-PPV, энергия связи экситона находится в диапазоне от 0,3 до 1,4 эВ. [7]

Энергия, необходимая для разделения экситона, обеспечивается смещением энергии между НСМО или зонами проводимости донора и акцептора. [3] После диссоциации носители транспортируются к соответствующим электродам через перколяционную сеть.

Среднее расстояние, на которое экситон может диффундировать через материал до аннигиляции в результате рекомбинации, и есть длина диффузии экситона. В полимерах этого мало, порядка 5–10 нанометров. [6] Временной масштаб радиационного и безызлучательного распада составляет от 1 пикосекунды до 1 наносекунды. [8] Экситоны, генерируемые на этой длине вблизи акцептора, будут вносить вклад в фототок.

Рис. 2. Две различные структуры гетеропереходов: а) двухслойный фазовый переход и б) объемный гетеропереход. Объемный гетеропереход обеспечивает больший межфазный контакт между двумя фазами, что выгодно для соединения наночастицы- полимер, поскольку оно обеспечивает большую площадь поверхности для переноса заряда.

Для решения проблемы малой диффузионной длины экситона используется структура объемного гетероперехода, а не бислой с разделением фаз. Распределение частиц по полимерной матрице создает большую площадь поверхности раздела для переноса заряда. [3] На рис. 2 показана разница между двухслойным и объемным гетеропереходом.

Типы интерфейсов и структур [ править ]

Управление границей раздела неорганических и органических гибридных солнечных элементов может повысить эффективность элементов. Эта повышенная эффективность может быть достигнута за счет увеличения площади поверхности раздела между органическими и неорганическими веществами, чтобы облегчить разделение зарядов, и путем управления наноразмерными длинами и периодичностью каждой структуры, чтобы заряды могли разделяться и перемещаться к соответствующему электроду без рекомбинации. Три основных используемых наноразмерных структуры - это мезопористые неорганические пленки, наполненные электронодонорными органическими, чередующиеся неорганические-органические пластинчатые структуры и структуры нанопроволоки.

Мезопористые пленки [ править ]

Мезопористые пленки использовались для создания гибридного солнечного элемента с относительно высокой эффективностью. [9] В структуру мезопористых тонкопленочных солнечных элементов обычно входят пористые неорганические элементы , насыщенные органическими поверхностно-активными веществами. Органическое вещество поглощает свет и передает электроны неорганическому полупроводнику (обычно прозрачному проводящему оксиду), который затем передает электрон на электрод. Проблемы с этими ячейками включают их случайный порядок и сложность управления их наноразмерной структурой для обеспечения проводимости заряда.

Заказанные пластинчатые пленки [ править ]

В последнее время использование чередующихся слоев органических и неорганических соединений контролировалось посредством самосборки на основе электроосаждения. [10] Это представляет особый интерес, потому что было показано, что ламеллярная структура и периодичность чередующихся органо-неорганических слоев можно контролировать с помощью химии раствора. Чтобы получить этот тип ячейки с практической эффективностью, более крупные органические поверхностно-активные вещества, которые поглощают больше видимого спектра, должны быть размещены между слоями электроноакцепторного неорганического вещества.

Пленки упорядоченных наноструктур [ править ]

Исследователи смогли вырастить солнечные элементы на основе наноструктур, которые используют упорядоченные наноструктуры, такие как нанопроволоки или нанотрубки неорганического окружения, из электронодонорных органических веществ с использованием процессов самоорганизации. Упорядоченные наноструктуры предлагают преимущество направленного переноса заряда и контролируемого разделения фаз между донорными и акцепторными материалами. [11]Морфология на основе нанопроволоки обеспечивает пониженное внутреннее отражение, легкую релаксацию деформации и повышенную устойчивость к дефектам. Возможность создавать монокристаллические нанопроволоки на недорогих подложках, таких как алюминиевая фольга, и снимать напряжение в последующих слоях устраняет еще два основных препятствия, связанных с затратами, связанных с высокоэффективными ячейками. Произошел быстрый рост эффективности солнечных элементов на основе нанопроводов, и они кажутся одной из самых многообещающих наноразмерных гибридных солнечных технологий. [12]

Фундаментальные факторы вызова [ править ]

Чтобы начать крупномасштабное производство, необходимо повысить эффективность гибридных ячеек. На эффективность влияют три фактора. [2] [13] Во-первых, необходимо уменьшить ширину запрещенной зоны, чтобы поглотить красные фотоны, которые содержат значительную часть энергии солнечного спектра. Современные органические фотоэлементы показали 70% квантовой эффективности для синих фотонов. Во-вторых, следует минимизировать контактное сопротивление между каждым слоем в устройстве, чтобы обеспечить более высокий коэффициент заполнения и эффективность преобразования энергии. В-третьих, подвижность носителей заряда должна быть увеличена, чтобы позволить фотоэлектрическим элементам иметь более толстые активные слои, минимизируя рекомбинацию носителей и сохраняя низкое последовательное сопротивление устройства.

Типы гибридных солнечных батарей [ править ]

Композит полимер – наночастица [ править ]

Наночастицы - это класс полупроводниковых материалов, размер которых по крайней мере в одном измерении составляет от 1 до 100 нанометров, порядка длины волны экситона. Этот контроль размера создает квантовое ограничение и позволяет настраивать оптоэлектронные свойства, такие как запрещенная зона и сродство к электрону. Наночастицы также имеют большое отношение площади поверхности к объему, что означает большую площадь для переноса заряда. [14]

Фотоактивный слой может быть создан путем смешивания наночастиц с полимерной матрицей. Солнечные устройства на основе композитов полимер-наночастица больше всего напоминают полимерные солнечные элементы . В этом случае наночастицы заменяют акцепторы на основе фуллерена, используемые в полностью органических полимерных солнечных элементах. Гибридные солнечные элементы на основе наночастиц представляют собой область исследовательского интереса, поскольку наночастицы обладают рядом свойств, которые могут сделать их предпочтительнее фуллеренов, таких как:

  • Фуллерены синтезируются сочетанием высокотемпературного дугового метода и непрерывного газофазного синтеза, что делает их производство трудным и энергоемким. Коллоидный синтез наночастиц, напротив, представляет собой низкотемпературный процесс.
  • PCBM (обычный акцептор фуллерена) диффундирует в течение длительного времени или под воздействием тепла, что может изменить морфологию и снизить эффективность полимерного солнечного элемента. Ограниченное тестирование солнечных элементов на основе наночастиц показывает, что они могут стать более стабильными со временем.
  • Наночастицы более абсорбирующие, чем фуллерены, а это означает, что теоретически более тонкое устройство может поглощать больше света.
  • Размер наночастиц может повлиять на абсорбцию. Это в сочетании с тем фактом, что существует множество возможных полупроводниковых наночастиц, позволяет настраивать ширину запрещенной зоны, которую можно легко настраивать на определенные частоты, что было бы выгодно в тандемных солнечных элементах.
  • Наночастицы, размер которых близок к их боровскому радиусу, могут генерировать два экситона при ударе достаточно энергичным фотоном. [15]

Структура и обработка [ править ]

Рис. 3. Четыре различных структуры наночастиц, которые имеют по крайней мере одно измерение в диапазоне 1–100 нм, сохраняя квантовое ограничение. Слева - нанокристалл, рядом - наностержень, третий - тетрапод, а справа - гиперразветвленный.

Для полимеров, используемых в этом устройстве, подвижность дырок выше подвижности электронов, поэтому полимерная фаза используется для переноса дырок. Наночастицы переносят электроны к электроду. [14]

Площадь поверхности раздела между полимерной фазой и наночастицами должна быть большой. Это достигается за счет диспергирования частиц по всей полимерной матрице. Однако наночастицы должны быть соединены между собой, чтобы сформировать перколяционные сети для переноса электронов, который происходит посредством прыжков. [14]

На эффективность влияют соотношение сторон, геометрия и объемная доля наночастиц. Структуры наночастиц включают нанокристаллы, наностержни и сверхразветвленные структуры. [3] Рисунок 3 содержит изображение каждой структуры. Различные структуры изменяют эффективность преобразования, влияя на дисперсию наночастиц в полимере и обеспечивая пути для транспорта электронов.

Фаза наночастиц необходима для того, чтобы электроны могли достичь электрода. Используя наностержни вместо нанокристаллов, можно избежать прыжков с одного кристалла на другой. [14]

Способы изготовления включают смешивание двух материалов в растворе и нанесение его центрифугированием на подложку, а также испарение растворителя (золь-гель). Большинство этих методов не требуют высокотемпературной обработки. Отжиг увеличивает порядок в полимерной фазе, увеличивая проводимость. Однако слишком длительный отжиг приводит к увеличению размера полимерного домена, что в конечном итоге делает его больше, чем длина диффузии экситона, и, возможно, позволяет некоторому количеству металла из контакта диффундировать в фотоактивный слой, снижая эффективность устройства. [3] [14]

Материалы [ править ]

Неорганические полупроводниковые наночастицы, используемые в гибридных ячейках, включают CdSe (размер от 6 до 20 нм), ZnO, TiO и PbS. Обычные полимеры, используемые в качестве фотоматериалов, обладают обширным сопряжением и также гидрофобны. На их эффективность как фотоматериала влияет HOMO.положение уровня и потенциал ионизации, который напрямую влияет на напряжение холостого хода и стабильность в воздухе. Наиболее часто используемые полимеры - это P3HT (поли (3-гексилтиофен)) и M3H-PPV (поли [2-метокси, 5- (2'-этилгексилокси) -p-фениленвинилен)]). Ширина запрещенной зоны P3HT составляет 2,1 эВ, а M3H-PPV - ~ 2,4 эВ. Эти значения соответствуют ширине запрещенной зоны CdSe, равной 2,10 эВ. Электронное сродство CdSe составляет от 4,4 до 4,7 эВ. Когда используется полимер MEH-PPV, который имеет сродство к электрону 3,0 эВ, разница между сродством к электрону достаточно велика, чтобы управлять переносом электронов от CdSe к полимеру. CdSe также обладает высокой подвижностью электронов (600 см 2 · В -1 · с -1 ). [3] [6]

Значения производительности [ править ]

Наивысшая продемонстрированная эффективность составляет 3,2% для донора полимера PCPDTBT и акцептора наночастиц CdSe. Устройство показало ток короткого замыкания 10,1 мА · см -2 , напряжение холостого хода 0,68 В и коэффициент заполнения 0,51. [16]

Проблемы [ править ]

Гибридным солнечным элементам требуется повышенная эффективность и стабильность с течением времени, прежде чем станет возможным коммерциализация. По сравнению с 2,4% в системе CdSe-PPV, кремниевые фотоустройства имеют КПД преобразования энергии более 20%.

Проблемы включают контроль количества агрегации наночастиц по мере формирования фотослоя. Частицы необходимо диспергировать, чтобы увеличить площадь поверхности раздела, но необходимо агрегировать, чтобы сформировать сети для переноса электронов. Формирование сети зависит от условий изготовления. Тупиковые пути могут препятствовать потоку. Возможное решение - реализация упорядоченных гетеропереходов, структура которых хорошо контролируется. [14]

Со временем структуры могут претерпевать морфологические изменения, а именно фазовое разделение. В конце концов, размер домена полимера будет больше, чем длина диффузии носителя, что снижает производительность. [3]

Несмотря на то, что запрещенная зона наночастиц может быть настроена, она должна быть согласована с соответствующим полимером. Ширина запрещенной зоны CdSe 2,0 эВ больше идеальной ширины запрещенной зоны 1,4 для поглощения света. [14]

Участвующие наночастицы обычно представляют собой коллоиды, которые в растворе стабилизируются лигандами. Лиганды снижают эффективность устройства, потому что они служат изоляторами, которые препятствуют взаимодействию между донором и акцептором наночастиц, а также уменьшают подвижность электронов. Некоторый, но не полный успех был достигнут при замене исходных лигандов на пиридин или другой короткоцепочечный лиганд. [15]

Гибридные солнечные элементы демонстрируют свойства материала хуже, чем у объемных кремниевых полупроводников. Подвижности носителей намного меньше, чем у кремния. Подвижность электронов в кремнии составляет 1000 см 2 · В −1 · с −1 , по сравнению с 600 см 2 · В −1 · с −1 в CdSe и менее 10 см 2 · В −1 · с −1 в других квантовых системах. точечные материалы. Подвижность дырок в MEH-PPV составляет 0,1 см 2 · В −1 · с −1 , а в кремнии - 450 см 2 · В −1 · с −1 . [14]

Углеродные нанотрубки [ править ]

Углеродные нанотрубки (УНТ) обладают высокой электронной проводимостью, высокой теплопроводностью, прочностью и гибкостью. Были продемонстрированы автоэмиссионные дисплеи (FED), тензодатчики и полевые транзисторы (FET), использующие CNT. [17] [18] [19] Каждое приложение демонстрирует потенциал УНТ для наноразмерных устройств и приложений гибкой электроники. Фотоэлектрические приложения также были изучены для этого материала.

В основном УНТ использовались либо в качестве фотоиндуцированной примеси в транспортной среде носителя экситонов в фотоэлектрическом слое на основе полимера, либо в качестве фотоактивного (фотонно-электронная конверсия) слоя. Металлические УНТ предпочтительнее для первого применения, тогда как полупроводниковые УНТ предпочтительнее для последующего применения.

Эффективная транспортная среда носителя [ править ]

Схема устройства CNT как эффективной транспортной среды.

Для увеличения фотоэлектрической эффективности в фотоактивную область необходимо добавлять электроноакцепторные примеси. Путем включения УНТ в полимер диссоциация экситонной пары может осуществляться матрицей УНТ. Большая площадь поверхности (~ 1600 м 2 / г) [20] УНТ открывает хорошие возможности для диссоциации экситонов. Разделенные носители в матрице полимер-УНТ транспортируются по путям перколяции соседних УНТ, обеспечивая средства для высокой подвижности носителей и эффективного переноса заряда. Факторы эффективности гибридных фотоэлектрических элементов УНТ и полимера ниже, чем у неорганических фотоэлектрических элементов. ОСНТ в полупроводниковом полимере P3OT продемонстрировали напряжение холостого хода (В oc ) ниже 0,94 В при токе короткого замыкания (I sc) 0,12 мА / см 2 . [20]

Наночастицы металлов можно наносить на внешнюю поверхность УНТ для повышения эффективности разделения экситонов. Металл создает более сильное электрическое поле на границе раздела УНТ-полимер, ускоряя экситонные носители, чтобы более эффективно переносить их на матрицу УНТ. В этом случае V oc = 0,3396 В и I sc = 5,88 мА / см 2 . Коэффициент заполнения составляет 0,3876%, а коэффициент преобразования белого света 0,775%. [21]

Фотоактивный матричный слой [ править ]

УНТ можно использовать в качестве фотоэлектрического устройства не только в качестве дополнительного материала для увеличения транспорта носителей, но и в качестве самого фотоактивного слоя. [22] Полупроводниковые однослойные УНТ (ОСУНТ) являются потенциально привлекательным материалом для фотоэлектрических приложений из-за уникальных структурных и электрических свойств. ОСУНТ обладают высокой электропроводностью (в 100 раз больше, чем у меди) и демонстрируют баллистический перенос носителей, что значительно снижает рекомбинацию носителей. [23] Ширина запрещенной зоны ОУНТ обратно пропорциональна диаметру трубки, [23] что означает, что ОУНТ может иметь несколько прямых запрещенных зон, соответствующих солнечному спектру.

Сильное встроенное электрическое поле в ОСУНТ для эффективного разделения фотогенерированных электронно-дырочных пар было продемонстрировано с помощью двух асимметричных металлических электродов с высокой и низкой работой выхода . Напряжение холостого хода (V oc ) составляет 0,28 В, при токе короткого замыкания (I sc ) 1,12 нА · см -2 с источником падающего света 8,8 Вт · см -2 . В результате коэффициент преобразования белого света составляет 0,8%. [22]

Проблемы [ править ]

Для использования CNT в фотоэлектрических приложениях необходимо решить несколько проблем. CNT со временем разлагается в богатой кислородом среде. Пассивирующий слой, необходимый для предотвращения окисления УНТ, может снизить оптическую прозрачность области электрода и снизить фотоэлектрическую эффективность.

Проблемы как эффективная транспортная среда [ править ]

Дополнительные проблемы связаны с дисперсией УНТ в фотоактивном слое полимера. Требуется, чтобы УНТ были хорошо диспергированы в полимерной матрице для формирования эффективных путей переноса заряда между экситонами и электродом [21].

Проблемы как фотоактивный матричный слой [ править ]

Проблемы, связанные с использованием УНТ для фотоактивного слоя, включают отсутствие способности образовывать pn-переход из-за сложности легирования определенных сегментов УНТ. (Р-n переход создает внутренний встроенный потенциал, обеспечивая путь для эффективного разделения носителей в фотоэлектрической батарее.) Чтобы преодолеть эту трудность, было выполнено изгибание энергетической зоны с использованием двух электродов с разными рабочими функциями. Сильное встроенное электрическое поле, покрывающее весь канал ОСУНТ, формируется для высокоэффективного разделения носителей. Проблема окисления CNT более важна для этого приложения. Окисленные УНТ имеют тенденцию становиться более металлическими и менее полезными в качестве фотоэлектрических материалов. [24]

Сенсибилизированный красителем [ править ]

Сенсибилизированные красителем солнечные элементы состоят из светочувствительного анода, электролита и фотоэлектрохимической системы. Гибридные солнечные элементы на основе сенсибилизированных красителем солнечных элементов сформированы из неорганических материалов ( TiO 2 ) и органических материалов.

Материалы [ править ]

Гибридные солнечные элементы на основе сенсибилизированных красителем солнечных элементов изготавливаются из неорганических и органических материалов, поглощающих краситель. TiO 2 является предпочтительным неорганическим материалом, так как этот материал легко синтезировать и действует как полупроводник n-типа из-за донорных кислородных вакансий. Однако диоксид титана поглощает лишь небольшую часть УФ-спектра. Молекулярные сенсибилизаторы (молекулы красителя), прикрепленные к поверхности полупроводника, используются для сбора большей части спектра. В случае сенсибилизированных красителем диоксида титана солнечных элементов фотон, поглощаемый слоем молекулы красителя-сенсибилизатора, вызывает инжекцию электронов в зону проводимости диоксида титана, что приводит к протеканию тока. Однако малая диффузионная длина (коэффициент диффузии, D n ≤ 10 −4 см 2/ с) в солнечных элементах, сенсибилизированных красителем диоксида титана, снижает эффективность преобразования солнечной энергии в энергию. Чтобы увеличить продолжительность диффузии (или срок службы носителя), к диоксиду титана прикрепляют различные органические материалы.

Схема изготовления [ править ]

Фотоэлектрохимическая ячейка, сенсибилизированная красителем (ячейка Гретцеля) [ править ]
Рис. 5. Схематическое изображение электронно-дырочной генерации и рекомбинации.

Наночастицы TiO 2 синтезируются в масштабах в несколько десятков нанометров (~ 100 нм). Чтобы сделать фотоэлектрический элемент, молекулярные сенсибилизаторы (молекулы красителя) прикрепляются к поверхности диоксида титана. Поглощенный красителем диоксид титана, наконец, окружен жидким электролитом. Этот тип сенсибилизированного красителем солнечного элемента также известен как элемент Гретцеля. [25] Сенсибилизированный красителем солнечный элемент имеет недостаток, заключающийся в малой длине диффузии. Недавно были исследованы надмолекулярные или многофункциональные сенсибилизаторы с целью увеличения длины диффузии носителей. [26] Например, хромофор красителябыл модифицирован добавлением вторичных доноров электронов. Неосновные носители (в данном случае дырки) диффундируют к присоединенным донорам электронов для рекомбинации. Следовательно, электронно-дырочная рекомбинация замедляется из-за физического разделения между катионно-красителем и поверхностью TiO 2 , как показано на рис. 5. Наконец, этот процесс увеличивает длину диффузии носителей, что приводит к увеличению времени жизни носителей.

Твердотельный сенсибилизированный красителем солнечный элемент [ править ]

Мезопористые материалы содержат поры диаметром от 2 до 50 нм. Сенсибилизированная красителем мезопористая пленка TiO 2 может быть использована для изготовления фотоэлектрических элементов, и этот солнечный элемент называется «твердотельным сенсибилизированным красителем солнечным элементом». Поры в мезопористом TiO 2Тонкие пленки заполнены твердым проводящим дырки материалом, таким как полупроводники p-типа или органический дырочный проводящий материал. Замена жидкого электролита в элементах Гретцеля на твердый материал для переноса заряда может быть полезным. Процесс генерации и рекомбинации электронно-дырочных элементов такой же, как и в ячейках Гретцеля. Электроны инжектируются из фотовозбужденного красителя в зону проводимости диоксида титана, а дырки переносятся твердым электролитом для переноса заряда к электроду. Многие органические материалы были протестированы для получения высокой эффективности преобразования солнечной энергии в солнечные элементы, синтезированные на основе красителя, на основе тонкой мезопористой пленки диоксида титана. [27]

Факторы эффективности [ править ]

Факторы эффективности, продемонстрированные для сенсибилизированных красителями солнечных элементов :

ПараметрыТипы сенсибилизированных красителем солнечных элементов
Ячейка ГретцеляТвердое состояние
Эффективность (%)~ 10–11~ 4
V oc  (В)~ 0,7~ 0,40
J sc  (мА / см 2 )~ 20~ 9,10
Коэффициент заполнения~ 0,67~ 0,6
Источник:

Проблемы [ править ]

Жидкие органические электролиты содержат высококоррозионный йод, что приводит к проблемам утечки, герметизации, обращения, десорбции красителя и обслуживания. Для решения этих проблем в настоящее время большое внимание уделяется электролиту.

Для твердотельных сенсибилизированных красителями солнечных элементов первая проблема связана с неупорядоченными мезопористыми структурами диоксида титана. Мезопористые структуры из диоксида титана должны быть изготовлены из хорошо упорядоченных структур из диоксида титана однородного размера (~ 10 нм). Вторая проблема связана с разработкой твердого электролита, который должен обладать следующими свойствами:

  1. Электролит должен быть прозрачным для видимого спектра (широкая запрещенная зона).
  2. Должна быть предусмотрена возможность нанесения твердого электролита без разрушения слоя молекул красителя на диоксиде титана.
  3. НСМО молекулы красителя должна быть выше зоны проводимости диоксида титана.
  4. Некоторые полупроводники p-типа имеют тенденцию кристаллизоваться внутри мезопористых пленок диоксида титана, разрушая контакт молекулы красителя с диоксидом титана. Следовательно, твердый электролит должен быть стабильным во время работы.

Наноструктурированные неорганические - небольшие молекулы [ править ]

В 2008 году ученым удалось создать наноструктурированную ламеллярную структуру, которая обеспечивает идеальную конструкцию для объемных солнечных элементов с гетеропереходом. [28]Наблюдаемая структура состоит из ZnO и небольших проводящих органических молекул, которые собираются в чередующиеся слои органических и неорганических компонентов. Эта высокоорганизованная структура, которая стабилизируется π-π-стэкингом между органическими молекулами, позволяет проводить пути как в органическом, так и в неорганическом слоях. Толщина слоев (около 1–3 нм) находится в пределах длины диффузии экситона, что в идеале минимизирует рекомбинацию между носителями заряда. Эта структура также максимизирует границу раздела между неорганическим ZnO и органическими молекулами, что обеспечивает высокую плотность загрузки хромофора в структуре. Благодаря выбору материалов, эта система нетоксична и экологически безопасна, в отличие от многих других систем, в которых используется свинец или кадмий.

Хотя эта система еще не была включена в фотоэлектрическое устройство, предварительные измерения фотопроводимости показали, что эта система демонстрирует одни из самых высоких значений, измеренных для фотопроводников на основе органического, гибридного и аморфного кремния, и, таким образом, открывает перспективы для создания эффективных гибридных фотоэлектрических устройств.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Миллирон, Делия Дж .; Гур, Илан; Аливисатос, А. Пол (2005). «Гибридные органо-нанокристаллические солнечные элементы». Бюллетень МИССИС . 30 : 41–44. DOI : 10.1557 / mrs2005.8 .
  2. ^ a b Шахин, Шон Э .; Джинли, Дэвид С .; Джаббур, Гассан Э. (2005). «Фотовольтаика на органической основе» . Бюллетень МИССИС . 30 : 10–19. DOI : 10.1557 / mrs2005.2 .
  3. ^ a b c d e f g Saunders, BR; Тернер, ML (2008). «Фотовольтаические элементы из наночастиц и полимеров». Достижения в коллоидной и интерфейсной науке . 138 (1): 1–23. DOI : 10.1016 / j.cis.2007.09.001 . PMID 17976501 . 
  4. ^ Лукас, Шмидт-Менде (2016-05-24). Органические и гибридные солнечные элементы: введение . Вейкерт, Йонас. Берлин. ISBN 9783110283204. OCLC  950902053 .
  5. ^ Sariciftci, NS; Smilowitz, L .; Heeger, AJ; Wudl, F. (1993). «Полупроводящие полимеры (как доноры) и бакминстерфуллерен (как акцептор): фотоиндуцированные устройства переноса электронов и гетеропереходы». Синтетические металлы . 59 (3): 333–352. DOI : 10.1016 / 0379-6779 (93) 91166-Y .
  6. ^ a b c Джинджер, DS; Гринхэм, Северная Каролина (1999). «Фотоиндуцированный перенос электронов от сопряженных полимеров к нанокристаллам CdSe». Physical Review B . 59 (16): 624–629. Bibcode : 1999PhRvB..5910622G . DOI : 10.1103 / PhysRevB.59.10622 .
  7. ^ Щеблыкин И.Г .; Ярцев, А .; Pullertis, T .; Гульбинас, В .; Сундстрм В. (2007). «Возбужденное состояние и динамика фотогенерации заряда в сопряженных полимерах». J. Phys. Chem. B . 111 (23): 6303–6321. DOI : 10.1021 / jp068864f . PMID 17521181 . 
  8. ^ Шоу, ЧП; Русецкас, А .; Самуэль, IDW (2008). «Измерения диффузии экситонов в поли (3-гексилтиофене)». Современные материалы . 20 (18): 3516–3520. DOI : 10.1002 / adma.200800982 .
  9. ^ А. Чаны; Р. Шенде; Я. Святкевич; Ю. Пушинский. «Глава 2: Возобновляемые источники энергии: фотогальваника, ветер и геотермальная энергия. Тонкопленочный мезопористый TiO 2 для сенсибилизированных красителями солнечных элементов (DSSC)» . Чистые технологии 2008. Технические материалы конференции и выставки по чистым технологиям 2008 года . С. 113–116.
  10. ^ Герман, Дэвид Дж .; Goldberger, Joshua E .; Чао, Стивен; Мартин, Дэниел Т .; Ступп, Сэмюэл И. (2011). «Ориентация периодических органических-неорганических наноразмерных доменов с помощью одноэтапного электроосаждения» . ACS Nano . 5 (1): 565–73. DOI : 10.1021 / nn102697r . PMC 3127581 . PMID 21142087 .  
  11. ^ Weickert, J .; Данбар, РБ; Wiedemann, W .; Гессен, HC; Шмидт-Менде, Л. (2011). «Наноструктурированные органические и гибридные солнечные элементы» . Современные материалы . 23 (16): 1810–28. DOI : 10.1002 / adma.201003991 . PMID 21509826 . 
  12. ^ Гарнетт, Эрик С .; Brongersma, Mark L .; Цуй, Йи; МакГихи, Майкл Д. (2011). "Солнечные элементы из нанопроволоки". Ежегодный обзор исследований материалов . 41 : 269–295. Bibcode : 2011AnRMS..41..269G . DOI : 10,1146 / annurev-matsci-062910-100434 .
  13. ^ "Упорядоченные объемные органические и неорганические фотоэлектрические элементы с гетеропереходом". Бюллетень MRS : 37–40. 2005 г.
  14. ^ a b c d e f g h Wu, MH; Ueda, A .; Му, Р. (2005). "Полупроводниковые нанокомпозитные солнечные элементы на основе квантовых точек". Органическая фотовольтаика: механизмы, материалы и устройства . CRC Press. DOI : 10.1201 / 9781420026351.ch14 . ISBN 978-0-8247-5963-6.
  15. ^ a b Сондерс, Брайан Р. (март 2012 г.). «Гибридные солнечные элементы полимер / наночастицы: подготовка, принципы и проблемы». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 369 (1): 1–15. Bibcode : 2012JCIS..369 .... 1S . DOI : 10.1016 / j.jcis.2011.12.016 . PMID 22209577 . 
  16. ^ Даял, Смита; Никос Копидакис, Дана К. Олсон, Дэвид С. Джинли и Гарри Рамблс; Олсон, Дана С .; Джинли, Дэвид С .; Грохот, Гарри (2010). «Фотоэлектрические устройства с полимерными структурами с малой шириной запрещенной зоны и наноструктурами CdSe с КПД более 3%». Нано-буквы . 10 (1): 239–242. Bibcode : 2010NanoL..10..239D . DOI : 10.1021 / nl903406s . PMID 20000623 . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  17. ^ Шарлье, J.-C .; Terrones, M .; Baxendale, M .; Meunier, V .; Захария, Т .; Рупесингхе, Нидерланды; Hsu, WK; Grobert, N .; и другие. (2002). «Повышенная эмиссия электронного поля в углеродных нанотрубках, легированных B». Нано-буквы . 2 (11): 1191–1195. Bibcode : 2002NanoL ... 2.1191C . DOI : 10.1021 / nl0256457 .
  18. ^ Дхарап, Прасад; Ли, Чжилин; Нагараджайя, Сатиш; Баррера, Е.В. (2004). «Пленка из нанотрубок на основе одностенных углеродных нанотрубок для измерения деформации». Нанотехнологии . 15 (3): 379–382. Bibcode : 2004Nanot..15..379D . DOI : 10.1088 / 0957-4484 / 15/3/026 .
  19. ^ Деккер, Сис; Загар, Сандер Дж .; Verschueren, Алвин RM (1998). «Транзистор комнатной температуры на основе одной углеродной нанотрубки». Природа . 393 (6680): 49–62. Bibcode : 1998Natur.393 ... 49T . DOI : 10.1038 / 29954 .
  20. ^ a b Синке, Мартин; Ли, Цзин; Чен, Бин; Касселл, Алан; Delzeit, Lance; Хан, Джи; Мейяппан, М. (2002). «Пористая структура сырых и очищенных однослойных углеродных нанотрубок HiPco». Письма по химической физике . 365 (1–2): 69–74. Bibcode : 2002CPL ... 365 ... 69С . DOI : 10.1016 / S0009-2614 (02) 01420-3 .
  21. ^ a b Somani, Prakash R .; Somani, Savita P .; Умено, М. (2008). «Применение металлических наночастиц, украшенных углеродными нанотрубками в фотовольтаике». Письма по прикладной физике . 93 (3): 033315. Bibcode : 2008ApPhL..93c3315S . DOI : 10.1063 / 1.2963470 .
  22. ^ а б Чен, Чансинь; Лу, Ян; Kong, Eric S .; Чжан, Яфэй; Ли, Шуит-Тонг (2008). «Наносварные солнечные микроэлементы на основе углеродных нанотрубок». Маленький . 4 (9): 1313–1318. DOI : 10.1002 / smll.200701309 . PMID 18702123 . 
  23. ^ а б Дрессельхаус, MS (2008). Темы прикладной физики . 80 . Springer. ISBN 978-3-540-72864-1.
  24. ^ Коллинз, PG; Брэдли, К; Ишигами, М; Зеттл, А (2000). «Крайняя кислородная чувствительность электронных свойств углеродных нанотрубок». Наука . 287 (5459): 1801–4. Bibcode : 2000Sci ... 287.1801C . DOI : 10.1126 / science.287.5459.1801 . PMID 10710305 . 
  25. ^ О'реган, Б. и Grätzel, М. (1991). «Недорогой высокоэффективный солнечный элемент на основе сенсибилизированных красителем коллоидных пленок TiO2». Природа . 353 (6346): 737–740. Bibcode : 1991Natur.353..737O . DOI : 10.1038 / 353737a0 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  26. ^ Жак-е Мозер (2005). «Солнечные батареи: скорее позже, чем раньше». Материалы природы . 4 (10): 723–724. Bibcode : 2005NatMa ... 4..723M . DOI : 10.1038 / nmat1504 . PMID 16195761 . 
  27. ^ Lancelle-Beltran, E .; Prené, P .; Boscher, C .; Belleville, P .; Буват, П .; Санчес, К. (2006). «Полностью твердотельные сенсибилизированные красителем нанопористые гибридные солнечные элементы TiO2 с высокой эффективностью преобразования энергии». Adv. Mater . 18 (19): 2579–2582. DOI : 10.1002 / adma.200502023 .
  28. ^ Софос, Марина; Гольдбергер, Джошуа; Stone, David A .; Аллен, Джонатан Э .; Ма, Цин; Герман, Дэвид Дж .; Цай, Вэй-Вэнь; Lauhon, Lincoln J .; Ступп, Сэмюэл И. (2009). "Синергетическая сборка наноразмерных гибридов пластинчатых фотопроводников". Материалы природы . 8 (1): 68–75. Bibcode : 2009NatMa ... 8 ... 68S . DOI : 10.1038 / nmat2336 . PMID 19060890 .