Наноструктурный полупроводник n-типа

ЦССЭ имела производительность менее чем 1%, пока профессор Гретцель не добавил пористую двуокись титана (TiO₂) в качестве анодного материала. Обычно используется слой наночастиц отрицательно-легированного TiO₂ (n-TiO₂).Преимущества TiO₂ включают в себя высокую светочувствительность, высокую стабильность структуры при облучении солнцем и в растворах, а так же низкую стоимость.

Типичный размер частиц составляет 8−30 нм в диаметре, а толщина пленок из TiO₂ составляет 2−20 мкм, с максимальной эффективностью, расположенной при толщине 12−14 мкм в зависимости от выбранных красителей и электролитов (ВТО и др., 2008). Тем не менее, как полупроводник широкой запрещенной зоны (~ 3,2 эВ), TiO₂ поглощает только ультрафиолетовый свет, который содержит лишь малую часть (~ 5%) солнечного спектра. В результате молекулы красителя используются для захвата видимого света.

Рисунок 3. TiO2.

Только нанокристаллический TiO₂ обеспечивает высокую эффективность захвата света, с внешней квантовой эффективностью (эффективность падающий фотон — заряд), как правило, в диапазоне 60−90% при использовании нанокристаллических форм по сравнению с <0,13%, при использовании монокристаллических форм (Грацель, 2005). Причина этого заключается в высокой скорости передачи данных с поверхности к объему пористых нанокристаллических материалов. Кроме того, синтез наноструктурированных частиц анатаза TiO₂ может быть проведен с помощью различных простых «мокрых» химических методов, таких как коллоидный, золь-гель, пептизация, гидролиз, осаждение, а также других методов, таких как мицеллярный и обратномицеллярный, гидротермальный, сонохимический, метод электроосаждения, физическое осаждение паров, метод микроволнового осаждения и прямого окисления [7]. Используются для этой цели и другие методы: струйный пиролиз, напыление и покрытие при помощи центрифугирования в лаборатории.

В настоящее время в реальных ЦССЭ используются три различных вида электролитов с плюсами и минусами каждого из них: наиболее распространенный электролит в органических растворителях, таких как ацетонитрил, — I^-/I3. Иногда ионы лития добавляют для облегчения движения электронов. Этот вид электролита хорош для диффузии ионов и хорошо впитывает свет с пленки TiO₂, сохраняя высокую эффективность всех ЦССЭ.

Рисунок 4. Схематическое представление компонентов и основного принципа работы ЦССЭ.

Но ограниченная стабильность в сроках службы вследствие испарения жидкости препятствует его широкому использованию. Неорганические ионные жидкости из солей или смеси солей. Они выглядят как твердые тела и в то же время обладают свойствами жидкости и имеют высокую проводимость. Но их эффективность снижается после длительного периода использования. Твердый электролит, такие, как спиро-бифлуорен или CuI (Конно и др., 2007). Нестабильность и его кристаллизация иодида меди создает трудности при заполнении пористых пленок TiO₂. Проблема может быть решена путем добавления ионной жидкости в электролит. Спиро-бифлуорен представляет собой типичный вид органического пористого проводника, который разрабатывался в течение многих лет и ЦССЭ на основе этого вида электролита достигли эффективности в 5% (Ю. и др., 2009). Стандартный электролит, используемый для цвето-сенсибилизированных солнечных элементов, — (I-/I3-) в органическом растворителе окислительно-восстановительной пары. В окислительно-восстановительной паре I-/I3-, Iявляется донором электронов (восстановитель), тогда как I3- является акцептором электронов (окислитель).