خلية شمسية مختلطة

تجمع الخلايا الشمسية المختلطة بين مزايا أشباه الموصلات العضوية وغير العضوية. وتحتوي الخلايا الكهروضوئية المختلطة على مواد عضوية تتكون من بوليمرات مترافقة تمتص الضوء على شكل ثقوب للمانحين والنقل. يتم استخدام المواد غير العضوية في الخلايا الهجينة كمستقبل وناقل إلكترون في الهيكل. إن الأجهزة الكهروضوئية المختلطة تنطوي على إمكانات ليس فقط بتكلفة منخفضة من خلال المعالجة باللف إلى لفة ، ولكن أيضًا من أجل تحويل الطاقة الشمسية القابلة للتوسع.

نظرية
الخلايا الشمسية هي أجهزة تعمل على تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء بواسطة التأثير الكهروضوئي. تمتص الإلكترونات في الخلايا الشمسية طاقة الفوتون في ضوء الشمس التي تثيرها إلى نطاق التوصيل من نطاق التكافؤ. هذا يولد زوج ثقب الإلكترون ، والذي يفصله حاجز محتمل (مثل تقاطع pn) ، ويدفع التيار. تستخدم الخلايا الشمسية العضوية المواد العضوية في طبقاتها النشطة. إن الخلايا الكهروضوئية العضوية الجزيئية والبوليمرية والهجينة هي الأنواع الرئيسية من الأجهزة الفولتوضوئية العضوية التي تمت دراستها حاليًا.

خلية شمسية مختلطة
في الخلايا الشمسية المختلطة ، يتم خلط المواد العضوية مع مادة نقل الإلكترون عالية لتشكيل طبقة photoactive. يتم تجميع كلتا الطريقتين معاً في طبقة فوتوسوثرية متغايرة النمط ، والتي يمكن أن يكون لها كفاءة تحويل طاقة أكبر من مادة واحدة. واحدة من المواد بمثابة امتصاص الفوتون والمتبرع exciton. المواد الأخرى تسهل التفكك exciton في تقاطع. يتم نقل الشحنة ثم فصلها بعد إزالة exciton إنشاؤها في الجهة المانحة على مجمع المتلقي المانحين.

تحتاج المادة المستقبلة إلى إزاحة طاقة مناسبة لطاقة الربط من exciton إلى الممتص. يكون تحويل الرسوم مواتية في حالة استيفاء الشرط التالي:

حيث يشير الرمزان المرتفعان A و D إلى المستقبِل والمتبرع على التوالي ، EA هو تقارب الإلكترون ، و U طاقة ربط كولومبية من exciton على المتبرع. يظهر الرسم البياني للطاقة للواجهة في. في البوليمرات الكهروضوئية شائعة الاستخدام مثل MEH-PPV ، تتراوح طاقة ارتباط exciton من 0.3 eV إلى 1.4 eV.

يتم توفير الطاقة اللازمة لفصل exciton عن طريق توازن الطاقة بين LUMOs أو نطاقات التوصيل للجهة المانحة والمقبلة. بعد الانفصال ، يتم نقل الناقلات إلى الأقطاب الكهربائية الخاصة من خلال شبكة الترشيح.

متوسط ​​المسافة التي يمكن أن ينتشر فيها exciton من خلال مادة قبل الفناء عن طريق إعادة التركيب هو طول الانتشار exciton. هذا قصير في البوليمرات ، في حدود 5-10 نانومتر. المقياس الزمني للتسوس الإشعاعي وغير الإشعاعي هو من 1 بيكو ثانية إلى 1 نانوثانية. سوف تساهم الالإكسيتونات المتولدة في هذا الطول على مقربة من المستقبِل في التيار الضوئي.

للتعامل مع مشكلة طول انتشار exciton قصير ، يتم استخدام هيكل غير متغاير السعة بدلاً من طبقة ثنائية فصل الطور. إن تشتيت الجزيئات في جميع أنحاء مصفوفة البوليمر يخلق منطقة بينية أكبر لنقل الشحنة. ويبين الشكل 2 الفرق بين طبقة ثنائية و heterojunction السائبة.

أنواع الواجهات والهياكل
السيطرة على واجهة الخلايا الشمسية غير العضوية العضوية غير العضوية يمكن أن تزيد من كفاءة الخلايا. ويمكن تحقيق هذه الكفاءة المتزايدة عن طريق زيادة المساحة السطحية البينية بين العضوي والغير عضوي لتسهيل فصل الشحنة والتحكم في أطوال النانوية ودورية كل هيكل بحيث يتم السماح بفصل الشحنات والاتجاه نحو القطب المناسب دون إعادة التركيب. والبنى الأساسية الثلاثة النانوية المستخدمة هي الأفلام غير العضوية الميسوفية التي يملؤها الجسم العضوي الذي يتبرع به الإلكترون ، وتناوب هياكل الصفائح العضوية غير العضوية ، وهياكل الأسلاك النانوية.

الأفلام Mesoporous
تم استخدام أفلام Mesoporous لخلية شمسية هجينة عالية الكفاءة نسبياً. عادة ما تشتمل بنية الخلايا الشمسية الرقيقة متوسطة الحجم على مادة غير عضوية مسامية مشبعة بسطح عضوي. يمتص العضوي الضوء ، وينقل الإلكترونات إلى أشباه الموصلات اللاعضوية (عادة ما يكون أكسيد موصل شفاف) ، والذي ينقل الإلكترون إلى القطب. وتشمل المشاكل مع هذه الخلايا ترتيبها العشوائي وصعوبة التحكم في هيكلها النانوي لتعزيز توصيل الشحنة.

طلب أفلام صفائحي
في الآونة الأخيرة ، تم التحكم في استخدام طبقات متناوبة من المركبات العضوية وغير العضوية من خلال التجمع الذاتي القائم على electrodeposition. وهذا أمر ذو أهمية خاصة لأنه تبين أن البنية الصفائحية ودورية الطبقات العضوية غير العضوية المتناوبة يمكن التحكم فيها من خلال كيمياء الحل. لإنتاج هذا النوع من الخلايا بكفاءة عملية ، يجب ترسيب المواد الفعالة السطحية العضوية الأكبر التي تمتص أكثر من الطيف المرئي بين طبقات الإلكترونات غير العضوية.

أفلام من الهياكل النانومترية المطلوبة
تمكن الباحثون من زراعة الخلايا الشمسية القائمة على البنية النانوية التي تستخدم تركيبات نانوية مرتبة مثل الأسلاك النانوية أو الأنابيب النانوية غير العضوية المحيطة بالاعضاء العضوية التي تتبرع بالالكترونات باستخدام عمليات التنظيم الذاتي. توفر البنية النانومترية المرتبة ميزة نقل الشحنات الموجهة وفصل الطور المتحكم فيه بين المواد المتوافقة والجهات المتلقية. يوفر الشكل المورفولوجي القائم على أسلاك متناهية الصغر انعكاسًا داخليًا مخفّضًا ، وإرخاءًا سهلاً ، وزيادة تحمل الخلل. القدرة على صنع أسلاك نانوية مفردة على ركائز منخفضة التكلفة مثل رقائق الألومنيوم ولتخفيف الإجهاد في الطبقات اللاحقة يزيل اثنين من العقبات الرئيسية أكثر تكلفة المرتبطة بالخلايا ذات الكفاءة العالية.كانت هناك زيادات سريعة في كفاءة الخلايا الشمسية القائمة على أسلاك متناهية الصغر ، ويبدو أنها واحدة من أكثر التقنيات الهجينة للطاقة الشمسية النابضة بالخير.

عوامل التحدي الأساسية
يجب زيادة كفاءة الخلايا الهجينة لبدء التصنيع على نطاق واسع. ثلاثة عوامل تؤثر على الكفاءة. أولاً ، ينبغي خفض فجوة الحزمة لامتصاص الفوتونات الحمراء ، التي تحتوي على جزء كبير من الطاقة في الطيف الشمسي. وقد أظهرت الخلايا الكهروضوئية العضوية الحالية 70 ٪ من الكفاءة الكمية للفوتون الأزرق. ثانيًا ، يجب التقليل من مقاومة التلامس بين كل طبقة في الجهاز لتقديم عامل تعبئة أعلى وكفاءة تحويل الطاقة.ثالثًا ، يجب زيادة التنقل بين حاملات الشحن للسماح للخلايا الكهروضوئية بتكوين طبقات نشطة أكثر سمكًا مع التقليل إلى أدنى حد من إعادة تركيب الناقل والحفاظ على انخفاض مقاومة السلسلة للجهاز.

أنواع الخلايا الشمسية الهجينة

مركب البوليمر – النانوية
الجسيمات النانوية هي فئة من مواد أشباه الموصلات يتراوح حجمها في بُعد واحد على الأقل من 1 إلى 100 نانومتر ، حسب ترتيب أطوال موجات exciton. هذا التحكم بالحجم يخلق حصرًا كميًا ويسمح بتوليف الخصائص البصرية الإلكترونية ، مثل فجوة النطاق وإقتران الإلكترون. كما تحتوي الجسيمات النانوية أيضًا على مساحة كبيرة من المساحة إلى الحجم ، مما يوفر مساحة أكبر لنقل الشحنة.

يمكن إنشاء الطبقة النافعة ضوئيا عن طريق خلط الجسيمات النانوية في مصفوفة بوليمر. الأجهزة الشمسية التي تعتمد على مركبات البوليمر النانوية تشبه معظم الخلايا الشمسية البوليمر. في هذه الحالة ، تحل الجسيمات النانوية محل المقبولات القائمة على الفوليرين المستخدمة في الخلايا الشمسية البوليمرية العضوية بالكامل. تعتبر الخلايا الشمسية المختلطة التي تعتمد على الجسيمات النانوية مجالًا ذا أهمية بحثية لأن الجسيمات النانوية لها العديد من الخصائص التي يمكن أن تجعلها أفضل من الفوليرين ، مثل:

يتم توليف الفوليرين بواسطة مزيج من طريقة القوس ذات درجة الحرارة المرتفعة والتوليف المستمر لمراحل الغاز ، مما يجعل إنتاجها صعبًا ومكثفًا للطاقة. التوليف الغرواني للجسيمات النانوية على النقيض من ذلك هو عملية درجة حرارة منخفضة.

ينتشر ثنائي الفينيل متعدد الكلور (وهو محلول شائع للفوليرين) خلال فترات زمنية طويلة أو عندما يتعرض للحرارة ، مما يمكن أن يغير التشكل ويقلل من كفاءة الخلايا الشمسية البوليمرية. يشير الاختبار المحدود للخلايا الشمسية النانوية إلى أنها قد تكون أكثر استقرارًا بمرور الوقت.

الجسيمات النانوية أكثر قدرة على الامتصاص من الفوليرين ، بمعنى أنه يمكن استيعاب المزيد من الضوء نظرياً في جهاز أرق.

يمكن أن يؤثر حجم الجزيئات النانوية على الامتصاص. هذا جنبا إلى جنب مع حقيقة أن هناك العديد من الجسيمات النانوية شبه الموصلة المحتملة يسمح لالفرقات عالية للتخصيص التي يمكن ضبطها بسهولة لترددات معينة ، والتي من شأنها أن تكون مفيدة في الخلايا الشمسية الترادفية.

يمكن للجسيمات النانوية ذات الحجم القريب من دائرة نصف قطرها بوهر أن تولد جزيئين من الأكسيتونات عندما تصطدم بفوتون حيوي بدرجة كافية.

هيكل ومعالجة
ﺑﺎﻟﻨﺴﺒﺔ ﻟﻠﺒﻮﻟﻤﺮات اﻟﻤﺴﺘﺨﺪﻣﺔ ﻓﻲ هﺬا اﻟﺠﻬﺎز ، ﺗﻜﻮن ﻗﺪرات اﻟﺤﻔﺮ أآﺒﺮ ﻣﻦ ﺣﺮآﺎت اﻹﻟﻜﺘﺮوﻧﺎت ، ﻟﺬﻟﻚ ﻳﺘﻢ اﺳﺘﺨﺪام ﻃﻮر اﻟﺒﻮﻟﻴﻤﺮ ﻟﻨﻘﻞ اﻟﺜﻘﻮب.تقوم الجسيمات النانوية بنقل الإلكترونات إلى القطب.

يجب أن تكون المنطقة البينية بين طور البوليمر والجسيمات النانوية كبيرة. يتحقق ذلك عن طريق تفريق الجزيئات في جميع أنحاء مصفوفة البوليمر. ومع ذلك ، فإن الجسيمات النانوية تحتاج إلى أن تكون مترابطة لتشكيل شبكات الترشيح لنقل الإلكترونات ، والتي تحدث من خلال القفز للأحداث.

تتأثر الكفاءة بنسب الارتفاع ، والهندسة ، وجزء الحجم للجسيمات النانوية. تشتمل تركيبات الجسيمات النانوية على البلورات النانوية ، والأعمدة النانوية ، والهياكل شديدة التشدد. يحتوي الشكل 3 على صورة لكل هيكل. تغير الهياكل المختلفة كفاءة التحويل عن طريق التأثير على تشتت الجسيمات النانوية في البوليمر وتوفير مسارات لنقل الإلكترون.

مطلوب طور جسيمات متناهية الصغر لتوفير مسار للإلكترونات للوصول إلى القطب. باستخدام nanorods بدلا من البلورات النانوية ، يمكن تجنب حدث القفز من بلورة واحدة إلى أخرى.

تشمل طرق التصنيع خلط المواد في محلول وطبقة س spينية على ركيزة ، وتبخر المذيبات (sol-gel). معظم هذه الأساليب لا تنطوي على معالجة درجات الحرارة العالية. يزيد التلدين النظام في مرحلة البوليمر ، وزيادة التوصيل. ومع ذلك ، يؤدي التلدين لفترة طويلة إلى زيادة حجم المجال البوليمر ، مما يجعله أكبر في النهاية من طول انتشار exciton ، وربما السماح لبعض المعادن من الاتصال بالانتشار إلى الطبقة النافعة ضوئيا ، مما يقلل من كفاءة الجهاز.

المواد
تشتمل الجسيمات النانوية شبه الموصلة غير العضوية المستخدمة في الخلايا الهجينة على CdSe (يتراوح حجمها من 6–20 نانومتر) ، و ZnO ، و TiO ، و PbS. البوليمرات الشائعة التي تستخدم كمواد فوتوغرافية لديها تصريف شامل وهي أيضًا مسعور. تتأثر كفاءتها كمواد ضوئية بموضع مستوى HOMO وإمكانيات التأين ، والتي تؤثر بشكل مباشر على جهد الدائرة المفتوحة والاستقرار في الهواء. والبوليمرات الأكثر شيوعًا المستخدمة هي P3HT (poly (3-hexylthiophene)) ، و M3H-PPV (poly [2-methoxy ، 5- (2′-ethyl-hexyloxy) -p-phenylenevinylene)]). P3HT لديها فجوة نطاق من 2.1 eV و M3H-PPV لديها فجوة نطاق من 2.4 فولت eV. هذه القيم تتوافق مع فجوة نطاق CdSe ، 2.10 eV. تتراوح ألفة CdSe للإلكترون من 4.4 إلى 4.7 فولت. عندما يكون البوليمر المستخدم هو MEH-PPV ، الذي له تقارب إلكترون 3.0 eV ، يكون الفرق بين تقاربات الإلكترون كبيرًا بما يكفي لدفع نقل الإلكترون من CdSe إلى البوليمر. كما أن CdSe لديه قدرة إلكترون عالية على الحركة (600 سم ² · V ⁻¹ · s ⁻¹ ).

قيم الأداء
أعلى كفاءة أثبتت هي 3.2 ٪ ، استنادا إلى المتبرع PCPDTBT البوليمر و CdSe الجسيمات النانوية المتقبل. عرض الجهاز تيار تيار كهربائي قصير قدره 10.1 mA • cm − 2 ، جهد دائرة مفتوحة يبلغ .68 فولت ، وعامل تعبئة قدره .51.

التحديات
تحتاج الخلايا الشمسية المختلطة إلى زيادة الكفاءة والثبات مع مرور الوقت قبل أن يكون التسويق ممكنا. بالمقارنة مع 2.4٪ من نظام CdSe-PPV ، فإن أجهزة التصوير بالسيليكون لديها كفاءة تحويل طاقة أكبر من 20٪.
وتشمل المشاكل السيطرة على كمية الجسيمات متناهية الصغر التجميع كما شكل photolayer. تحتاج الجسيمات إلى الانتشار من أجل زيادة مساحة الواجهة ، ولكنها تحتاج إلى التجميع لتشكيل شبكات لنقل الإلكترونات. يكون تشكيل الشبكة حساسًا لظروف التصنيع. يمكن أن تعيق مسارات النهاية المسدودة التدفق. والحل الممكن هو تنفيذ عمليات متغايرة مرتبة ، حيث يتم التحكم في الهيكل بشكل جيد.

يمكن للهياكل أن تخضع لتغيرات شكلية مع مرور الوقت ، وهي فصل الطور. في نهاية المطاف ، سيكون حجم المجال البوليمر أكبر من طول انتشار الناقل ، مما يقلل من الأداء.

على الرغم من أنه يمكن ضبط فجوة نطاق جسيمات متناهية الصغر ، يجب أن تتم مطابقتها مع البوليمر المقابل. إن فجوة نطاق ثنائي eV 2.0 من CdSe أكبر من فجوة نطاق مثالية تبلغ 1.4 لإمتصاص الضوء.

الجسيمات النانوية المعنية هي غالبًا ما تكون غروانية ، والتي تستقر في المحلول بواسطة بروابط. يقلل الترابط من كفاءة الجهاز لأنه يعمل كعوازل تعيق التفاعل بين المتبرع المتلقي والجزيئات النانوية بالإضافة إلى تقليل حركة الإلكترون. بعض ، ولكن ليس النجاح الكامل قد تم عن طريق تبادل بروابط الأولية لبيريدين أو يجند سلسلة قصيرة أخرى.

تعرض الخلايا الشمسية المختلطة الخواص المادية أقل من تلك الخاصة بأشباه الموصلات السليكونية. تكون الحاملات الحاملة أصغر بكثير من السليكون. الحركية الإلكترونية في السليكون هي 1000 سم ² · V ⁻¹ · s ⁻¹ ، مقارنة بـ 600 سم ² · V ⁻¹ · s ⁻¹ في CdSe ، وأقل من 10 سم ² · V ⁻¹ · s ⁻¹ في الكم الأخرى المواد نقطة. قابلية الحركة في MEH-PPV هي 0.1 سم ² · V ⁻¹ · s ⁻¹ ، بينما في السيليكون يكون 450 سم ² · V ⁻¹ · s ⁻¹ .

أنابيب الكربون النانوية
تمتلك الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) درجة عالية من الموصلية الإلكترونية ، والموصلية الحرارية العالية ، والمرونة ، والمرونة. تم عرض عروض انبعاثات الحقل (FED) ، وأجهزة استشعار السلالة ، والترانزستورات ذات التأثير الميداني (FET) باستخدام الأنابيب النانوية الكربونية. يظهر كل تطبيق إمكانات CNT للأجهزة النانوية ولتطبيقات الإلكترونيات المرنة. كما تم استكشاف التطبيقات الضوئية لهذه المادة.

بشكل رئيسي ، تم استخدام الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) إما كحامل متوسط ​​لنقل ناقل الحامل (exciton) الناجم عن التصوير الفوتوغرافي داخل طبقة كهروضوئية قائمة على البوليمر أو كطبقة (فوتون – إلكترون للتحويل). يُفضل استخدام CNT المعدني للتطبيق السابق ، بينما يفضل CNT شبه الموصلة في وقت لاحق.

وسيلة نقل حمولة فعالة
لزيادة الكفاءة الكهروضوئية ، يجب إضافة الشوائب المقبولة إلكترونياً إلى المنطقة ذات النشاط الضوئي. من خلال دمج الأنابيب النانوية الكربونية في البوليمر ، يمكن تحقيق انفصال زوج exciton بواسطة مصفوفة CNT. توفر مساحة السطح المرتفعة (1600 م ² / جم) من الأنابيب النانوية الكربونية فرصة جيدة لتفكيك exciton. يتم نقل الموجات الحاملة المنفصلة داخل مصفوفة CNT البوليمر عن طريق مسارات الترشيح في الأنابيب النانوية الكربونية المجاورة ، مما يوفر وسيلة للتنقل العالي للناقل ونقل فعال للكهرباء. إن عوامل أداء الخلايا الكهروضوئية الهجينة CNT منخفضة بالمقارنة مع تلك الخاصة بالضوئية الفولتية الضوئية غير العضوية. أظهر SWNT في بوليمر أشباه الموصلات P3OT جهد الدائرة المفتوحة (V _oc ) تحت 0.94 V ، مع تيار دارة قصيرة (I _sc ) قدره 0.12 مللي أمبير / سم ² .

يمكن تطبيق جسيمات المعادن النانوية على الأجزاء الخارجية من الأنابيب النانوية الكربونية لزيادة كفاءة فصل الأكسيتون. يوفر المعدن مجالًا كهربائيًا أعلى في واجهة CNT-polymer ، مما يسرع ناقلات exciton لنقلها بشكل أكثر فعالية إلى مصفوفة CNT. في هذه الحالة ، V_oc = 0.3396 V و I _sc = 5.88 مللي أمبير / سم ² . عامل التعبئة هو 0.3876٪ ، ومعدل التحويل الضوء الأبيض 0.775٪.

طبقة مصفوفة ضوئية
يمكن استخدام CNT كجهاز ضوئي ، ليس فقط كمواد إضافية لزيادة نقل الحامل ، ولكن أيضًا كطبقة ضوئية نشطة. إن الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار شبه الموصلة (SWCNT) هي مادة جذابة محتملة للتطبيقات الكهروضوئية للخصائص الهيكلية والكهربائية الفريدة.تتمتع SWCNT بموصلية كهربائية عالية (100 مرة أكثر من الموصلية النحاسية) وتظهر ناقل حركة النقل الباليستي ، مما يقلل بشكل كبير من إعادة تركيب الناقل. فجوة نطاق SWCNT تتناسب عكسًا مع قطر الأنبوب ، مما يعني أن SWCNT قد تظهر فجوات نطاق مباشرة متعددة تطابق الطيف الشمسي.

تم إثبات وجود حقل كهربائي مدمج قوي في SWCNT من أجل فصل أزواج الإلكترون ذو الفتحة المجهزة بكفاءة باستخدام إلكترودين معدنيين غير متماثلين مع وظائف العمل العالية والمنخفضة. يبلغ جهد الدائرة المفتوحة (Voc) 0.28 فولت ، مع تيار دارة قصيرة (Isc) 1.12 nA • cm − 2 مع مصدر ضوئي للحوادث قدره 8.8 W • cm − 2. معامل تحويل الضوء الأبيض الناتج هو 0.8٪.

التحديات
يجب معالجة العديد من التحديات لاستخدام CNT في التطبيقات الضوئية. يحلل الـ CNT الوقت الإضافي في بيئة غنية بالأكسجين. قد تعمل طبقة التخميل اللازمة لمنع أكسدة CNT على تقليل الشفافية البصرية لمنطقة القطب الكهربائي وخفض الكفاءة الكهروضوئية.

التحديات كوسيلة نقل فعالة
تتضمن تحديات إضافية تشتت CNT ضمن طبقة البوليمر ضوئي النشاط. مطلوب CNT أن تكون متفرقة بشكل جيد داخل مصفوفة البوليمر لتشكيل مسارات فعالة لنقل الشحنات بين excitons والقطب

التحديات كطبقة مصفوفة ضوئية
وتشمل تحديات CNT للطبقة النافعة للضوء عدم قدرتها على تشكيل وصلة pn ، وذلك بسبب صعوبة تناول بعض منشطات CNT. (يخلق تقاطع pn إمكانات داخلية مضمنة ، مما يوفر مسارًا لفصل الناقل الفعال داخل الخلايا الكهروضوئية.) للتغلب على هذه الصعوبة ، تم إجراء ثني عصابة الطاقة من خلال استخدام قطبين كهربائيين من وظائف عمل مختلفة. يتم تشكيل حقل كهربائي مدمج قوي يغطي قناة SWCNT بأكملها لفصل الحامل عالي الكفاءة. مسألة الأكسدة مع CNT أكثر أهمية لهذا التطبيق. تمتلك الأنابيب النانوية الكربونية المؤكسدة ميلًا لتصبح أكثر معدنية ، وبالتالي أقل فائدة كمواد فوتوفلطية.

صبغ توعية
تتكون الخلايا الشمسية ذات الصبغة من أنود حساس ضوئي ، إلكتروليت ، ونظام كهروضوئي ضوئي. يتم تشكيل الخلايا الشمسية المختلطة على أساس الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة باستخدام مواد غير عضوية (TiO2) ومواد عضوية.

المواد
يتم تصنيع الخلايا الشمسية المختلطة المبنية على الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة بواسطة مواد غير عضوية ممتصة صبغة ومواد عضوية.TiO2 هو المادة اللاعضوية المفضلة لأن هذه المادة سهلة التركيب وتعمل كأشباه الموصلات من النوع n بسبب الوظائف الشاغرة للأكسجين مثل المانحين. ومع ذلك ، يمتص titania فقط جزء صغير من الطيف الأشعة فوق البنفسجية. تستخدم المحسات الجزيئية (جزيئات الصبغة) المتصلة بسطح أشباه الموصلات في تجميع جزء أكبر من الطيف. في حالة الخلايا الشمسية المتعفنة بصبغة تيتانيا ، يحفز الفوتون الذي تمتصه طبقة جزيئات المحسسات الصبغة حقن الإلكترون في نطاق التوصيل للتيتانيا ، مما يؤدي إلى التدفق الحالي. ومع ذلك ، فإن طول الانتشار القصير (الانتشار ، DN≤10−4cm2 / s) في الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة titania يقلل من كفاءة تحويل الطاقة إلى الطاقة. لتعزيز طول الانتشار (أو عمر الناقل) ، يتم إرفاق مجموعة متنوعة من المواد العضوية إلى titania.

نظام التصنيع
خلية كهروضوئية ذات حساسية لصبغة (خلية Grätzel)
يتم تصنيع الجسيمات النانوية TiO2 في عدة عشرات من مقاييس النانومتر (~ 100 نانومتر). من أجل صنع خلية ضوئية ، يتم إحاطة محسسات الجزيئات (جزيئات الصبغ) بسطح تيتانيا. وأخيرًا تمت إضافة تيتانيا التي تمتص الأصباغ بواسطة إلكتروليت سائل. يُعرف هذا النوع من الخلايا الشمسية ذات الحساسية الصبغة أيضًا باسم خلية Grätzel. للخلية الشمسية التي تحسّس الصبغة عيوب طول انتشار قصير. في الآونة الأخيرة ، تم التحقيق في محسسات فائقة السرعة أو متعددة الوظائف من أجل تعزيز طول انتشار الناقل. على سبيل المثال ، تم تعديل صبغة صبغة بإضافة متبرعين إلكترون ثانويين. تنتقل حاملات الأقلية (الثقوب في هذه الحالة) إلى المتبرعين الإلكترونين المرفقين لإعادة التوحيد. ولذلك ، يعاد تأميم الثقب الإلكترونى بالفصل المادي بين شق الصبغة وسطح TiO2 ، كما هو موضح في الشكل 5. وأخيرا ، هذه العملية ترفع طول انتشار الناقل ، مما يؤدي إلى زيادة عمر الناقل.

صلبة الحالة الصلبة صبغ الخلية الشمسية
المواد Mesoporous تحتوي على المسام مع أقطار بين 2 و 50 نانومتر. يمكن استخدام فيلم mesoporous من TiO2 ذو حساسية لصبغة الخلايا الكهروضوئية ، وتسمى هذه الخلية الشمسية بـ “خلية شمسية صلبة ذات حساسية صلبة”. تمتلئ المسام في طبقة رقيقة TiO2 mesoporous مع مادة موصلة بفتحة صلبة مثل أشباه الموصلات من النوع p أو مادة توصيل الحفرة العضوية. يمكن أن يكون استبدال الكهارل السائل في خلايا Grätzel بمواد نقل الشحنة القوية مفيدًا. عملية توليد و إعادة تركيب الثقب الإلكترونى هى نفس خلايا Grätzel. يتم حقن الإلكترونات من صبغة ضوئية في نطاق التوصيل من titania ويتم نقل الثقوب بواسطة إلكتروليت نقل الشحنة الصلبة إلى القطب. وقد تم اختبار العديد من المواد العضوية للحصول على كفاءة تحويل عالية من الطاقة إلى الطاقة في الخلايا الشمسية المركزة الصبغية على أساس طبقة رقيقة تيتانيا متوسطة الغلة.

عوامل الكفاءة
عوامل الكفاءة الموضحة للخلايا الشمسية ذات الصبغة الحساسة

التحديات
تحتوي الشوارد العضوية السائلة على اليود الذي يسبب تآكلًا كبيرًا ، مما يؤدي إلى مشاكل التسرب والختم والتعامل وصقل الأصباغ والصيانة.يركز الكثير من الاهتمام الآن على الإلكتروليت لمعالجة هذه المشاكل.

بالنسبة للخلايا الشمسية المصبوغة الصبغية في الحالة الصلبة ، فإن التحدي الأول ينشأ من بنى ميسواري (tesania mesoporous) المضطربة. يجب أن تصنع هياكل تيتانيا ذات السهول المتوسطة مع هياكل تيتانيا جيدة الحجم ذات الحجم الموحد (~ 10 نانومتر). التحدي الثاني يأتي من تطوير المنحل بالكهرباء الصلب ، والذي يتطلب وجود هذه الخصائص:

يجب أن يكون المنحل بالكهرباء شفافًا بالنسبة للطيف المرئي (الفجوة واسعة النطاق).
يجب أن يكون التصنيع ممكنًا لإيداع الإلكتروليت الصلب دون تحطيم طبقة جزيء الصبغة على titania.

يجب أن يكون LUMO لجزيء الصبغ أعلى من نطاق التوصيل في titania.

تميل عدة أشباه موصلات من النوع p إلى التبلور داخل أفلام titania متوسطة الحجم ، وتدمر تلامس جزيء titania الصبغية. لذلك ، يجب أن يكون الكهارل الصلب ثابتًا أثناء التشغيل.

غير العضوي النانوي – الجزيئات الصغيرة
في عام 2008 ، كان العلماء قادرين على إنشاء بنية صفائحية ذات بنية نانوية توفر تصميمًا مثاليًا للخلايا الشمسية غير المتجانسة. يتكون الهيكل المرصود من ZnO والجزيئات العضوية الصغيرة ، التي تتجمع في طبقات متناوبة من المكونات العضوية وغير العضوية. يسمح هذا الهيكل عالي التنظيم ، والذي يتم تثبيته بواسطة تكديس between-between بين الجزيئات العضوية ، بإجراء مسارات في كل من الطبقات العضوية وغير العضوية. تكون سماكة الطبقات (حوالي 1 إلى 3 نانومتر) داخل طول انتشار الإكسيتون ، مما يقلل بشكل مثالي من إعادة التركيب بين حاملات الشحنة. كما تعمل هذه البنية أيضًا على تعظيم التفاعل بين ZnO غير العضوي والجزيئات العضوية ، مما يتيح كثافة تحميل عالية في الكروم داخل الهيكل. بسبب اختيار المواد ، هذا النظام غير سام وصديق للبيئة ، على عكس العديد من الأنظمة الأخرى التي تستخدم الرصاص أو الكادميوم.

على الرغم من أن هذا النظام لم يتم إدراجه بعد في جهاز فلطائي ضوئي ، فقد أظهرت قياسات الموصلية الضوئية الأولية أن هذا النظام يُظهر من بين أعلى القيم المقاسة للموصلات الضوئية السليكونية العضوية ، والهايبرد ، وغير المتبلرة ، وهكذا ، يقدم وعدًا في إنشاء أجهزة كهروضوئية هجينة فعالة.