Гибридная солнечная батарея - Hybrid solar cell

Гибридный солнечные батареи объединить преимущества обоих органический и неорганические полупроводники. Гибридный фотогальваника иметь органические материалы, состоящие из сопряженные полимеры которые поглощают свет как донор и транспорт дыры.[1] Неорганические материалы в гибридных клетках используются в качестве акцептора и электрон транспортер в конструкции. Гибридные фотоэлектрические устройства имеют потенциал не только низкой стоимости за счет рулонный обработки, но и для масштабируемых солнечная энергия конверсия.

Теория

Солнечные батареи это устройства, которые преобразуют солнечный свет в электричество фотоэлектрический эффект. Электроны в солнечном элементе поглощают энергию фотонов солнечного света, что возбуждает их зона проводимости от валентная полоса. Это порождает пара дырка-электрон, который разделен потенциальным барьером (например, p-n переход ) и индуцирует ток. Органические солнечные элементы использовать 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

Рисунок 1. Энергетическая диаграмма донора и акцептора. Зона проводимости акцептора ниже, чем LUMO 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 гетеропереход -типа фотоактивный слой, который может иметь большую эффективность преобразования энергии, чем отдельный материал.[3] Один из материалов действует как поглотитель фотонов и экситон донор. 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 считается выгодным, если выполняется следующее условие:[6]

где верхние индексы A и D относятся к акцептору и донору соответственно, EА - сродство к электрону, 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 отделения экситона, обеспечивается за счет смещения энергии между LUMOs или зоны 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 допускает больший межфазный контакт между двумя фазами, что полезно для наночастица -полимерный состав, так как он 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

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

Мезопористые пленки были использованы для относительно высокоэффективного гибридного солнечного элемента.[9] Структура мезопористой тонкопленочные солнечные элементы обычно включает пористое неорганическое вещество, насыщенное органическим поверхностно-активным веществом. 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

В последнее время использование чередующихся слоев органических и неорганических соединений контролировалось посредством самосборки на основе электроосаждения.[10] Это представляет особый интерес, поскольку было показано, что ламеллярную структуру 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

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 изготавливать монокристаллические нанопроволоки на недорогих подложках, таких как алюминиевая фольга, и снижать 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]

Основные факторы вызова

Чтобы начать крупномасштабное производство, необходимо повысить эффективность гибридных ячеек. На эффективность влияют три фактора.[2][13] Во-первых, необходимо уменьшить ширину запрещенной зоны для поглощения красных фотонов, которые содержат значительную часть энергии солнечного спектра. Современные органические фотоэлементы показали 70% квантовой эффективности для синих фотонов. Во-вторых, контактное сопротивление между каждым слоем в устройстве должно быть минимизировано, 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 элементов

Композит полимер – наночастицы

Наночастицы представляют собой 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-наночастицы 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 при воздействии 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

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 больше 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

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 являются гидрофобными. 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 см2· V−1· С−1).[3][6]

Значения производительности

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

Вызовы

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 1000 см2· V−1· С−1, по сравнению с 600 см2· V−1· С−1 в CdSe и менее 10 см2· V−1· С−1 в других материалах с квантовыми точками. Подвижность отверстий в MEH-PPV составляет 0,1 см.2· V−1· С−1, а в кремнии - 450 см2· V−1· С−1.[14]

Углеродные нанотрубки

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

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 м2/грамм) [20] УНТ дает хорошую возможность 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 (Вок) ниже 0,94 В, при токе короткого замыкания (Isc) 0,12 мА / см2.[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 Vок = 0,3396 В и Isc = 5,88 мА / см2. Коэффициент заполнения составляет 0,3876%, а коэффициент преобразования белого света 0,775%.[21]

Фотоактивный матричный слой

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 их рекомбинацию.[23] Ширина запрещенной зоны ОСУНТ обратно пропорциональна диаметру трубки,[23] это означает, что ОСУНТ могут 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 высоким и низким рабочие функции. Напряжение холостого хода (Вок) составляет 0,28 В, при токе короткого замыкания (Isc) 1,12 нА · см−2 с источником падающего света 8,8 Вт · см−2. В результате коэффициент преобразования белого света составляет 0,8%.[22]

Вызовы

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

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

Проблемы как фотоактивный матричный слой

Проблемы, связанные с использованием УНТ для фотоактивного слоя, включают отсутствие способности образовывать p-n переход, из-за сложности легирования определенных участков УНТ. (P-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

Сенсибилизированные красителем солнечные элементы состоит из светочувствительного анода, электролита и фотоэлектрохимической системы. Гибридные солнечные элементы на основе сенсибилизированных красителями солнечных элементов формируются из неорганических материалов (TiO2 ) и органических материалов.

Материалы

Гибридные солнечные элементы на основе сенсибилизированных красителем солнечных элементов изготавливаются из неорганических и органических материалов, поглощающих краситель. TiO2 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 длина диффузии (коэффициент диффузии, Dп≤10−4см2/ 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

Фотоэлектрохимический элемент, сенсибилизированный красителем (ячейка Гретцеля)
Рис. 5. Схематическое изображение электронно-дырочной генерации и рекомбинации.

TiO2 наночастицы 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, надмолекулярный или были исследованы многофункциональные сенсибилизаторы с целью увеличения длины диффузии носителей.[26] Например, краситель хромофор был модифицирован добавлением вторичных доноров электронов. Неосновные носители (в данном случае дырки) диффундируют к присоединенным донорам электронов для рекомбинации. Таким образом, электронно-дырочная рекомбинация замедляется из-за физического разделения катион-красителя и TiO2.2 поверхность, как показано на рис. 5. Наконец, этот процесс увеличивает длину диффузии носителей, что приводит к увеличению срока службы носителей.

Твердотельный сенсибилизированный красителем солнечный элемент

Мезопористые материалы содержат поры диаметром от 2 до 50 нм. Мезопористая пленка TiO, сенсибилизированная красителем.2 может использоваться для изготовления фотоэлектрических элементов, и этот солнечный элемент называется «твердотельным сенсибилизированным красителем солнечным элементом». Поры в мезопористом TiO2 Тонкие 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 испытаны для получения высокой эффективности преобразования солнечной энергии в солнечные элементы, синтезированные на основе красителя, на основе тонкой мезопористой пленки диоксида титана.[27]

Факторы эффективности

Показатели эффективности продемонстрированы для сенсибилизированные красителем солнечные элементы находятся

ПараметрыТипы сенсибилизированных красителем солнечных элементов
Ячейка ГретцеляТвердое состояние
Эффективность (%)~ 10–11~ 4
Vок (V)~ 0.7~ 0.40
Jsc (мА / см2)~ 20~ 9.10
Коэффициент заполнения~ 0.67~ 0.6
Источник:

Вызовы

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.

Наноструктурированный неорганический - небольшие молекулы

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 используются 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.

Рекомендации

  1. ^ Миллирон, Делия Дж .; Гур, Илан; Аливисатос, А. Пол (2005). «Гибридные органо-нанокристаллические солнечные элементы». Бюллетень MRS. 30: 41–44. Дои:10.1557 / mrs2005.8.
  2. ^ а б Шахин, Шон Э .; Джинли, Дэвид С .; Джаббур, Гассан Э. (2005). «Фотовольтаика на органической основе». Бюллетень MRS. 30: 10–19. Дои:10.1557 / mrs2005.2.
  3. ^ а б c d е ж грамм Saunders, B.R .; Тернер, М. (2008). «Фотовольтаические элементы из наночастиц и полимеров». Достижения в области коллоидной и интерфейсной науки. 138 (1): 1–23. Дои:10.1016 / j.cis.2007.09.001. PMID  17976501.
  4. ^ Лукас, Шмидт-Менде (24 мая 2016 г.). Органические и гибридные солнечные элементы: введение. Вейкерт, Йонас. Берлин. ISBN  9783110283204. OCLC  950902053.
  5. ^ Sariciftci, N.S .; Smilowitz, L .; Heeger, A.J .; Wudl, F. (1993). «Полупроводниковые полимеры (как доноры) и бакминстерфуллерен (как акцептор): фотоиндуцированные устройства переноса электронов и гетеропереходы». Синтетические металлы. 59 (3): 333–352. Дои:10.1016 / 0379-6779 (93) 91166-У.
  6. ^ а б c Имбирь, D.S .; Гринхэм, Северная Каролина (1999). «Фотоиндуцированный перенос электронов от сопряженных полимеров к нанокристаллам CdSe». Физический обзор B. 59 (16): 624–629. Bibcode:1999PhRvB..5910622G. Дои: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. Дои:10.1021 / jp068864f. PMID  17521181.
  8. ^ Shaw, P.E .; Русецкас, А .; Самуэль, I.D.W (2008). «Измерения диффузии экситонов в поли (3-гексилтиофене)». Современные материалы. 20 (18): 3516–3520. Дои:10.1002 / adma.200800982.
  9. ^ А. Чаны; Р. Шенде; Я. Святкевич; Я. Пушинский. "Глава 2: Возобновляемые источники энергии: фотоэлектрическая, ветровая и геотермальная. Мезопористый TiO2 тонкопленочный для сенсибилизированного красителем солнечного элемента (DSSC) Applicationv ». Чистые технологии 2008. Технические материалы конференции и выставки по чистым технологиям 2008 г.. 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». САУ Нано. 5 (1): 565–73. Дои:10.1021 / nn102697r. ЧВК  3127581. PMID  21142087.
  11. ^ Weickert, J .; Dunbar, R.B .; Wiedemann, W .; Hesse, H.C .; Шмидт-Менде, Л. (2011). «Наноструктурированные органические и гибридные солнечные элементы». Современные материалы. 23 (16): 1810–28. Дои:10.1002 / adma.201003991. PMID  21509826.
  12. ^ Гарнетт, Эрик Ч .; Brongersma, Mark L .; Цуй, Йи; МакГихи, Майкл Д. (2011). "Солнечные элементы из нанопроволоки". Ежегодный обзор исследований материалов. 41: 269–295. Bibcode:2011AnRMS..41..269G. Дои:10.1146 / annurev-matsci-062910-100434.
  13. ^ «Упорядоченные объемные органические и неорганические фотоэлектрические элементы с гетеропереходом». Бюллетень MRS: 37–40. 2005.
  14. ^ а б c d е ж грамм час Wu, M.H; Ueda, A .; Му, Р. (2005). "Полупроводниковые нанокомпозитные солнечные элементы на основе квантовых точек". Органическая фотовольтаика: механизмы, материалы и устройства. CRC Press. Дои:10.1201 / 9781420026351.ch14. ISBN  978-0-8247-5963-6.
  15. ^ а б 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. Дои: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 .; Рамблз, 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. Дои:10.1021 / nl903406s. PMID  20000623.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  17. ^ Charlier, J.-C .; Terrones, M .; Baxendale, M .; Meunier, V .; Захария, Т .; Rupesinghe, N.L .; Hsu, W. K .; Grobert, N .; и другие. (2002). «Повышенная эмиссия электронного поля в углеродных нанотрубках, легированных B». Нано буквы. 2 (11): 1191–1195. Bibcode:2002NanoL ... 2.1191C. Дои: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:2004Нанот..15..379Д. Дои:10.1088/0957-4484/15/3/026.
  19. ^ Деккер, Сис; Загар, Сандер Дж .; Вершуерен, Алвин Р. М. (1998). «Транзистор комнатной температуры на основе одной углеродной нанотрубки». Природа. 393 (6680): 49–62. Bibcode:1998Натура 393 ... 49Т. Дои:10.1038/29954.
  20. ^ а б 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 ... 69C. Дои:10.1016 / S0009-2614 (02) 01420-3.
  21. ^ а б 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. Дои: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. Дои:10.1002 / smll.200701309. PMID  18702123.
  23. ^ а б Дрессельхаус, М. С. (2008). Темы прикладной физики. 80. Springer. ISBN  978-3-540-72864-1.
  24. ^ Collins, P.G .; Брэдли, К; Ишигами, М; Зеттл, А (2000). «Крайняя кислородная чувствительность электронных свойств углеродных нанотрубок». Наука. 287 (5459): 1801–4. Bibcode:2000Sci ... 287.1801C. Дои:10.1126 / science.287.5459.1801. PMID  10710305.
  25. ^ О’Реган Б. и Гретцель М. (1991). «Недорогой высокоэффективный солнечный элемент на основе сенсибилизированных красителем коллоидных пленок TiO2». Природа. 353 (6346): 737–740. Bibcode:1991Натура.353..737O. Дои:10.1038 / 353737a0.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  26. ^ Жак-э Мозер (2005). «Солнечные батареи: скорее позже, чем раньше». Материалы Природы. 4 (10): 723–724. Bibcode:2005НатМа ... 4..723М. Дои: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. Матер. 18 (19): 2579–2582. Дои: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:2009НатМа ... 8 ... 68S. Дои:10.1038 / nmat2336. PMID  19060890.