色素増感太陽電池

ソース: タマラ ・ m ・力、化学のテキサス A & M 大学

今日の現代世界には、大量のエネルギーが必要です。一方、我々 は石炭や石油などの化石燃料からのエネルギーを活用、これらのソースが再生不可能なしたがって供給は限られています。私たちのグローバルなライフ スタイルを維持するために我々 は、再生可能エネルギー源からエネルギーを抽出する必要があります。最も有望な再生可能エネルギー源、豊かさの面では、完全に私たちの惑星上の何回も燃料に十分すぎるほどの太陽エネルギーは、太陽です。

太陽からエネルギーを抽出するにはどのように我々?自然はそれを把握する最初: 光合成は、植物が水と二酸化炭素を炭水化物と酸素に変換という過程。このプロセスは植物の葉で発生し、葉のグリーン色のクロロフィル顔料に依存しています。これは化学反応を駆動するエネルギーを吸収され、太陽光からエネルギーを吸収するこれらの着色分子です。

1839 年には、エドモンド ベクレル、19 歳フランス物理学者彼の父の研究室での実験は、最初の太陽電池を作成されます。彼は電圧を生成した白金電極に接続され、現在は銀の塩化物の酸性溶液を照らされました。¹は、多くの発見や進歩は後半 19^回前半の 20^th世紀で行われた、最初の実用的な太陽電池は、ベル研究所によって建てられた 1954 年にだけだった。1950 年代以降、太陽電池は、衛星の電源に使用されました。²

太陽電池は、電流を作成する光を利用する電気機器です。このビデオは、準備と電池、色素増感太陽電池 (開発) のようなの 1 つのタイプのテストを示します。最初にカリフォルニア大学バークレー校でブライアン ・ オリーガンとマイケル Grätzel によって発明された Grätzel は、エコール連邦工科ローザンヌ スイス連邦共和国、1991 年に最初の非常に効率的な開発で最高潮に達するでこの仕事を追求しました。³植物のようなこれらの太陽電池は、太陽からハーネス エネルギーを支援するのに染料を使用します。

バンド理論:

2 つの軌道が形成される分子軌道を形成する 2 つの原子が一緒に来て、1 つの結合、他の反対称性を持つ。⁴これらはエネルギー量で区切られます。時n原子は分子軌道としてnが固体、分子軌道を形成する一緒に来る。Nが大きいとき、エネルギーの間隔が狭い軌道数が多い同様に。結果は同じようなエネルギー (図 1) の軌道のバンドです。これらのバンドに原子から電子が存在します。バランス バンドは電子が設定された最も高いエネルギー バンドです。それは分子の最高占有分子軌道 (ホモ) に似ています。伝導帯は、電子では空、最低非占有分子軌道 (LUMO) の分子に似ているが最低のバンドです。バンド ギャップは、これらの 2 つのバンド間のエネルギー差です。

バンド ギャップが大きい、固体材料が絶縁体: 電子は材料 (図 1) 自由に流れることができません。対照的に、導体、valance 伝導バンド ギャップがぼやけています。金属などの導体に電圧を適用する価電子帯、伝導帯の電子のいくつかが発生します。これらの励起電子が自由に動きます。電子が自由に動くも肯定的な穴を残します。実際には、穴が移動しない、肯定的な穴を埋めるための電子の移動ではなく。導体温度上昇として分子振動増加、電子の流れを妨害し、導電率を減少させます。

半導体 0 ケルビンで絶縁体として動作しますが、温度の上昇につれて (図 1) 導体になるものであります。これは、原子価そして伝導バンド間のバンド ギャップのエネルギー-は小さいので、熱エネルギーは十分で伝導帯に電子を励起します。典型的な真性半導体は、シリコンとゲルマニウムに含まれます。

図 1.絶縁体、半導体、およびコンダクターのバンド図。ホワイト バンドは空、影付きの帯が電子で満ちています。離散穴が白球で示されている間、離散電子は赤い球で示されます。

太陽光発電の効果:

光が半導体に当たる、価電子帯から伝導帯に電子が励起するそれ。この電子組み換えることも可能、穴とそれ電子のない純流れで結果残した。または、半導体、回路、周りを移動して回路のもう一方の端の穴と再結合します。日光への暴露から作成された電子のこの流れは、光起電力効果と呼ばれます。電気を生成する目的とこの後者のシナリオと、従ってシステムは再結合の上これを支持する設計必要があります。

これを支持する 1 つの方法は、p-n 接合、すなわちn と p にドープされた半導体の間の接合を持つ細胞を設計することです。これらは半導体原子のいくつかがされているという、置換される隣接する周期表の原子。N ドープ半導体、これらはより多くの電子を持つ原子に置き換えられます、p ドープ半導体、これらは少数の電子を持つ原子に置き換えられます。「伝統的な」シリコン系太陽電池を作るこの方法の使用します。

太陽電池の新たな種類は様々、Grätzel セルと呼ばれます。⁵これらは有望な半透明、しているし、コストが大幅に少ないという点で。これらの太陽電池はまだ作る半導体、しかし、それは太陽からの光を吸収するために使用される染料。

開発のコンポーネント:

図 2に示すようの開発に多くのコンポーネントがあります。

染料

高い信頼性は、光起電力効果を促進するため、染料を使用します。色素分子は、結合軌道から反結合軌道に電子を促進、光を吸収します。この励起電子ことができます、バック ドロップ結合軌道、電子の流れのない結果に。または、半導体、開発の生産性の高い経路に注入することができます。これは、回路を完了する必要があります穴の背後に残します。生産性の高い経路の色素の励起状態の電子のエネルギーは、半導体の伝導バンドよりも大きくなければなりません。染料また電池の効率を改善するために太陽光のスペクトルの多くを吸収する必要があります。典型的な染料はルテニウム (Ru)-ベース、およびそれ故にこの金属が非常に経済的ではないと、開発を制限します。

この実験では、ブラックベリーやラズベリーなど、いくつかの果実は、天然色素 (アントシアニン) が利用されます。アントシアニン色素の構造のいくつか特色にする必要があります = Ti^IVO₂表面 (図 3) にバインドする色素は、O または - オハイオ州のグループ。⁶

半導体

半導体の伝導帯に励起電子が、流れます。この実験で使用する半導体は、TiO₂です。

アノード

この場合、SnO₂は、陽極に半導体から電子の流れ-ガラスをコーティングします。SnO₂を絶縁体になるガラスの導電面が可能です。

カソード

負荷を通過した電子は同様に SnO₂で覆われている陰極に来る。陰極はグラファイト、調停の酸化還元反応を促進することをこの場合、触媒がさらに覆われています。

調停者

私に陰極から電子を渡す₃^-、それを減らすに^-。この減らされた分子は、回路を完了、色素分子に残された穴に電子を寄付できます。このプロセスは私に₃^-を再生成します。間違い太陽セルまたはセルを作り出すことができる最大電圧の開回路電位に対応する潜在的な₃^-- /I セルとフェルミ レベル。

このビデオでは、高い信頼性を用意し、その性能評価を行います。

図 2 。開発の模式図。日光は、染料の反結合軌道に電子を発生させる色素によって吸収されます。この電子の穴を残して、TiO₂伝導帯に移動します。電子回路を一周、負荷を渡し、私に戻って酸化を私に私は^-、₃^-を減らすために使用は₃^-電子としての穴を満たす染料します。

図 3.いくつかの果実のアントシアニン色素は、TiO₂表面にキレートします。

1. TiO₂ペーストの準備

1. 質量コロイドの TiO₂粉末 6 g とすり鉢で配置。
2. 慎重に TiO₂酢の 2-3 mL を追加し、均一なペーストが得られるまで、懸濁液を杵に研削を開始します。研削粉の集合塊を破るに提供しています。
3. 酢の追加を続けます 〜 1 mL を研削中、までインクリメント 〜 9 mL の総数。追加するたびに、前に貼り付けの一貫性は制服としこりの無料をする必要があります。最終的なペーストは、厚いが、ないので、それがドロッパー ボトルから締め出されることができない厚さにする必要があります。
4. 1 mL の蒸留水に皿の石鹸の 1 滴を加える、優しく混ぜます。
5. TiO₂懸濁液に皿の石鹸液を追加し、優しくミックス、気泡を生成しないように注意してください。
6. 15 分間平衡に懸濁液を許可します。食器用洗剤は、界面活性剤、懸濁液をより容易にするために、ガラス基板上に均一な膜に 。

2. ティオ₂ガラスの成膜

1. 2 つの導電性ガラス スライドをきれいに。エタノールとキムワイプを浸漬し、きれいな 2 つの導電性ガラスを拭くために使用します。新鮮なキムワイプにきれいなスライドを配置します。
2. 導電性ガラスのどちら側を確認します。オームに設定、マルチメータを使用すると、タッチ スクリーンの両方は、ガラスの一方の側に します。10 と 30 の Ω 間の読書を観察すると、導電性の側です。0 Ω の読書は、非導べ電性の側を表します。
3. スライドをマスクします。導電性面をその他の導電面を上と 1 つのガラス スライドを置きます。注意深く触れてスライドを保持、ベンチ上にスライド ガラスをテープします。テープを貼ることを確認、スライドの 4 つの側面の 3 つ ~ 5-8 mm のスライド (図 4) の 3 つの側面の各テープで覆われています。空気の泡がないことを確認するテープをしっかりと押します。
4. TiO₂ペーストを適用します。ガラス棒を使用して、スライドのマスクの上端間で貼り付けの細い線を適用します。慎重にバックアップ ロールのスライドの長さをペーストし、ガラス棒を使用します。2-3 x、ロッドを持ち上げることがなく、均一な膜が得られるまでこの運動を繰り返します。
   1. 単に映画が一様ではない場合、キムワイプで拭き取って、エタノール、ガラスをきれい、一度乾燥し、再度実行してください。
5. 少し乾燥する映画を許可し、ガラスからテープを慎重に取り外します。TiO₂フィルムとスライドは、導電性側する必要があります。他のスライドをきれいにし、後で使用できます。
6. TiO₂フィルムをアニールします。450 ° c. に設定されているホット プレート上スライド (TiO₂側を) を慎重に配置します。TiO₂紫/ブラウン色に暗く、その白い色を取り戻すように見.この時点で、ホット プレートを切り、ゆっくりと冷却するフィルムを許可します。スライドを余りにすぐに冷却すると場合、は、亀裂や破損がありますそれ。
7. 定規で、フィルムで覆われている面積を測定し、この値に注意してください。

図 4.TiO₂ガラスの蒸着。

3. 染色染料による TiO₂映画

1. すり鉢でいくつかブラックベリーやラズベリー、チェリーを配置し、杵でそれらを粉砕します。
2. コーヒー フィルターを介して、ペトリ皿にソリューションをフィルターします。ジュースに数 mL の水を追加する必要があります。
3. ペトリ皿の中冷却 TiO₂フィルム、面側を置きます。ない任意の TiO₂消すように注意します。色素膜に吸着するを許可します。これは数分をかかる場合があります。
4. フィルムが完全に被覆される (濃い赤または紫にする必要がありますそれと白い斑点がない)、スライドをトングで持ち上げて (注意するだけで厳しいがガラスとフィルムではない)、水とし、エタノールを使用してスライドをすすいでください。しみ、キムワイプでフィルム乾燥しすぐに使用します。
   1. すぐに使用しない場合その後、ph 3-5、酢酸を含むペトリ皿に映画を保存カバー蓋付き皿とホイルで包みます。

4. カウンター電極を準備します。

1. 導電性からすの別のスライドを使用して、2.1 2.2 の手順に従います。
2. 導電性の側に炭素触媒を適用します。ピンセットを使用して、スライド、導電性の側面を押し、ブンゼン バーナーの先端の上。すす収集表面全体が、もはや 30 以上のため、スライドを動かす s。スライドを冷ます、綿棒を使ってスライドの 1 つの側面に沿ってすすを拭いてください。
   1. また、HB の鉛筆を使用して、黒鉛の導電性表面の全体をカバーします。これは、パフォーマンスが低く 1 つのより堅牢な電極を提供します。

5. 太陽電池を組み立てる

1. 染色フィルムを乾燥させます。エタノールでリンスし、キムワイプの上に置きます。優しくしみ 2 番目キムワイプが付いているフィルム。映画は、乾燥していない電解質溶液に影響を与える必要があります。
2. 電極フィルム面まで、やさしく上 (炭素フェイス ダウン) 炭素被覆電極を場所します。必ず両方の電極の露出した部分をワイヤーにクリップできますので、スライドをオフセットしてください。オフセットのガラスに隣接する両側の 2 つのバインダー クリップを配置します。
3. スライドの 1 つの端に沿って電解質溶液を数滴を置き、慎重に開く/閉じるセルの各側交互開閉バインダー クリップで。染色領域のすべては電解質溶液との接触があることを確認し、必要に応じて手順 5.2.
4. キムワイプおよびエタノールを使用して露出された区域から余分な電解液を拭き取る。
5. 太陽電池の 2 つの露出された側面にワニ口クリップを固定します。

6. 電池の性能の測定

注: 理想的には、これらの測定値は、外で実行します。しかし、天候はないがハロゲン ランプを使用して実行できます。すべての測定は、同一条件の下で実行されるので、セルのない動きでされるべきであります。

1. TiO₂フィルムは太陽に向かって直面しているので、セルの向きを必ずし、セルの上ポリカーボネート カバーを配置します。これは、紫外線によるダメージから細胞を保護します。
2. 否定的な電極を接続 (TiO₂-ガラス コーティング)、マルチメータ、デジタルマルチメータ (図 5) のプラス線に肯定的な電極 (C) の負のワイヤーに。
3. ボルトのマルチメータを設定し、電圧を測定します。これは、開回路電位 (ゼロ電流で最大電圧) です。(手またはソリッド オブジェクト) を持つセルをカバーすると、電圧が低下することを確認します。
4. ミリ アンペア (mA) にマルチメータを設定し、最大の電流を測定します。これは、短絡電流 (ゼロ電圧最大電流) です。電流が減少することを確認する (手) と、セルをカバーします。
5. 可変負荷として 500 Ω ポテンショメータを使用して完全電流-電圧曲線を記録します。
   1. ポテンショメータのつながるは中央のタップを決定します。このリード抵抗変化させることができます。これを行うには、2 つ、ポテンショメータのリードのマルチメータ (ω に設定) を接続し、ポテンショメータの抵抗を変化させます。抵抗が変化するかどうかに注意してください。リードの他の 2 つの組み合わせでこれを繰り返します。3 つの組み合わせの 2 つの抵抗の変化を観察すべき。変更を与えた両方の組み合わせで使用されていた鉛中央タップ、他の 2 つは機能的に同じです。
   2. (右)図 5に示すように、回路を組み立てます。
   3. 完全な (またはゼロ) にポテンショメータを設定抵抗と電流と電圧に注意してください。
   4. 少しずつポテンショメータの抵抗を変更し、ポテンショメータの範囲全体にわたるいくつかのポイントがありますので、電流と電圧に注意してください。必ずこれらの測定セルを移動しないようにします。現在の開始を変更すると、必ず多くのデータ ポイントを収集するには少数のデータ ポイントは、それが一定に得られるかもしれない。

図 5.回路図開回路電位と短絡電流 (左、6.3、6.4 の手順)、測定して - V 曲線 (右) を記録します。

手順 6.5.3-6.5.4 で収集された各データ ポイントに電流密度 (mA/cm²) と電力密度 (mW/cm²) を計算します。電流密度を計算するには、手順 2.7 で決定されたフィルムの表面の面積によって電流を割ります。電力密度を計算するには、電流密度により電圧を掛けます。6.3、6.4, と 6.5.3-6.5.4 の手順でデータが収集された電圧 (mV) の電流 (mA) をプロットします。すべてのデータのボルトと電流密度をプロットします。これは曲線の「膝」に近いはずです。(撮影 800 1,000 W/m²)、受信の太陽光発電と 100% を乗算することによって、最大電力 (mW/cm²) で割って電気エネルギー変換効率に日光を決定します。

データの分析、- V カーブの準備は、電池の性能を比較する手段として太陽電池の文献で標準です。開回路電圧の測定は、0.3、0.5 V の間でなければなりませんし、1-2 mA/cm²の短絡の可能性を取得する必要があります。

このビデオは、準備と簡単な開発の分析を示した。

太陽電池より一般的になっているし、彼らの演奏を事前に行われている多くの研究があります。シリコン半導体に基づいている従来の太陽電池は、宇宙と地球上に使用されている太陽電池パネルを作るに使用されます。デンバー国際空港を作るコロラド州の日当たりの良い気候の使用し、4 つの太陽電池アレイは、空港のエネルギーの 6% を提供する必要があります。

光電は 15% まで効率で動作⁷伝統的な低コストの商業シリコン パネルの 14-17% の効率と比較して。光電の営業効率は、競争力のある、(Ru 色素) など材料の高コストは大規模なアプリケーションの問題です。おそらくを活かしての最大の欠点は温度変化に敏感な液体の電解質を使用。液体電解質は低温、それにより電力生産を停止および/または太陽電池パネルの構造的損傷の結果で固定できます。高温液体の電解質が広がり、やりがいのあるパネルをシールになります。

1. Williams, R. Becquerel Photovoltaic Effect in Binary Compounds. J Chem Phys, 32 (5), 1505-1514 (1960).
2. Perlin (2005), Late 1950s - Saved by the Space Race", Solar Evolution - The history of Solar Energy. The Rahus Institute. Retrieved 28 June 2016.
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4. Miessler, G. L., Fischer, P. J., Tarr, D. A. Inorganic Chemistry, Pearson, 2014.
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