Eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle (DSSC, DSC, DYSC oder Grätzel-Zelle) ist eine kostengünstige Solarzelle aus der Gruppe der Dünnschichtsolarzellen. Es basiert auf einem Halbleiter, der zwischen einer photosensibilisierten Anode und einem Elektrolyten gebildet wird, einem photoelektrochemischen System. Die moderne Version einer Farbstoff-Solarzelle, auch Grätzel-Zelle genannt, wurde ursprünglich 1988 von Brian O’Regan und Michael Grätzel an der UC Berkeley mitbegründet und später von den oben genannten Wissenschaftlern der École Polytechnique Fédérale de entwickelt Lausanne bis zur Veröffentlichung der ersten hocheffizienten DSSC im Jahr 1991. Michael Grätzel wurde für diese Erfindung mit dem Millennium Technology Award 2010 ausgezeichnet.

Die DSSC hat eine Reihe von attraktiven Funktionen; es ist einfach, unter Verwendung herkömmlicher Rollendrucktechniken herzustellen, ist halbflexibel und halbtransparent, was eine Vielzahl von Anwendungen bietet, die für Systeme auf Glasbasis nicht anwendbar sind, und die meisten der verwendeten Materialien sind billig. In der Praxis hat es sich als schwierig erwiesen, eine Anzahl teurer Materialien, insbesondere Platin und Ruthenium, zu eliminieren, und der flüssige Elektrolyt stellt eine ernsthafte Herausforderung dar, eine Zelle für die Verwendung bei jedem Wetter geeignet zu machen. Obwohl seine Umwandlungseffizienz geringer ist als die der besten Dünnschichtzellen, sollte sein Preis-Leistungs-Verhältnis theoretisch gut genug sein, um es zu ermöglichen, mit der Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen zu konkurrieren, indem die Netzparität erreicht wird. Kommerzielle Anwendungen, die aufgrund von Problemen mit der chemischen Stabilität aufgehalten wurden, werden in der Photovoltaik-Roadmap der Europäischen Union prognostiziert, um bis 2020 einen wesentlichen Beitrag zur Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen zu leisten.

Aktuelle Technologie: Halbleiter-Solarzellen
In einem herkömmlichen Festkörperhalbleiter besteht eine Solarzelle aus zwei dotierten Kristallen, von denen einer mit n-Typ-Störstellen (n-Typ-Halbleiter) dotiert ist, die zusätzliche freie Leitungsbandelektronen hinzufügen, und der andere mit p-Typ-Dotierungen dotiert ist ( p-Typ-Halbleiter), die zusätzliche Elektronenlöcher hinzufügen. Wenn sie in Kontakt gebracht werden, fließen einige der Elektronen in dem n-Typ-Teil in den p-Typ, um die fehlenden Elektronen, die auch als Elektronenlöcher bekannt sind, „einzufüllen“. Schließlich werden genug Elektronen über die Grenze fließen, um die Fermi-Niveaus der beiden Materialien auszugleichen. Das Ergebnis ist ein Bereich an der Grenzfläche, der pn-Übergang, wo Ladungsträger auf jeder Seite der Grenzfläche aufgebraucht und / oder akkumuliert sind. In Silizium erzeugt diese Übertragung von Elektronen eine Potentialbarriere von etwa 0,6 bis 0,7 V.

Wenn sie in der Sonne platziert werden, können Photonen des Sonnenlichts Elektronen auf der p-Seite des Halbleiters anregen, ein Prozess, der als Photoanregung bekannt ist. In Silizium kann Sonnenlicht genügend Energie liefern, um ein Elektron aus dem Valenzband niedrigerer Energie in das Leitungsband höherer Energie zu schieben. Wie der Name andeutet, können sich Elektronen im Leitungsband frei um das Silizium bewegen. Wenn eine Last über die gesamte Zelle hinweg angeordnet wird, fließen diese Elektronen aus der p-Typ-Seite in die n-Typ-Seite, verlieren Energie, während sie sich durch den externen Stromkreis bewegen, und fließen dann zurück in das p-Typ-Material Sie können sich wieder mit dem Valenzbandloch verbinden, das sie hinterlassen haben. Auf diese Weise erzeugt Sonnenlicht einen elektrischen Strom.

In jedem Halbleiter bedeutet die Bandlücke, dass nur Photonen mit dieser Menge an Energie oder mehr dazu beitragen, einen Strom zu erzeugen. Im Fall von Silizium hat der Großteil des sichtbaren Lichts von Rot bis Violett genügend Energie, um dies zu ermöglichen. Unglücklicherweise haben Photonen mit höherer Energie, die am blauen und violetten Ende des Spektrums liegen, mehr als genug Energie, um die Bandlücke zu überqueren; obwohl ein Teil dieser zusätzlichen Energie in die Elektronen übertragen wird, wird der größte Teil davon als Wärme verschwendet. Ein anderes Problem ist, dass, um eine vernünftige Chance zu haben, ein Photon einzufangen, die Schicht vom n-Typ ziemlich dick sein muss. Dies erhöht auch die Wahrscheinlichkeit, dass ein frisch ausgestoßenes Elektron auf ein zuvor erzeugtes Loch in dem Material trifft, bevor es den pn-Übergang erreicht. Diese Effekte führen zu einer Obergrenze für die Effizienz von Siliziumsolarzellen, derzeit bei 12 bis 15% für gängige Module und bis zu 25% für die besten Laborzellen (33,16% ist der theoretische maximale Wirkungsgrad für Single-Band-Gap-Solarzellen, siehe Shockley -Queisser-Grenze.).

Das mit Abstand größte Problem des konventionellen Ansatzes sind die Kosten; Solarzellen benötigen eine relativ dicke Schicht aus dotiertem Silizium, um vernünftige Photonenerfassungsraten zu haben, und die Siliziumverarbeitung ist teuer. Es gab eine Reihe verschiedener Ansätze, um diese Kosten in den letzten zehn Jahren zu senken, insbesondere die Dünnfilm-Ansätze, die jedoch aufgrund einer Vielzahl praktischer Probleme bisher nur begrenzt Anwendung fanden. Eine weitere Forschungsrichtung bestand darin, die Effizienz durch den Multi-Junction-Ansatz drastisch zu verbessern, obwohl diese Zellen sehr teuer sind und nur für große kommerzielle Implementierungen geeignet sind. Im Allgemeinen haben sich die Zellenarten, die für den Einsatz auf dem Dach geeignet sind, nicht signifikant in der Effizienz verändert, obwohl die Kosten aufgrund des erhöhten Angebots etwas gesunken sind.

Farbstoffsensibilisierte Solarzellen
In den späten 1960er Jahren wurde entdeckt, dass beleuchtete organische Farbstoffe Elektrizität an Oxidelektroden in elektrochemischen Zellen erzeugen können. Um die primären Prozesse der Photosynthese zu verstehen und zu simulieren, wurde das Phänomen an der University of California in Berkeley mit Chlorophyll aus Spinat untersucht (bio-mimetisch oder bionisch). Auf der Grundlage solcher Experimente wurde 1972 die elektrische Energieerzeugung mittels Farbstoff-Sensibilisierungs-Solarzelle (DSSC) demonstriert und diskutiert. Die Instabilität der Farbstoff-Solarzelle wurde als eine Hauptherausforderung identifiziert. Seine Effizienz konnte während der folgenden zwei Jahrzehnte durch Optimierung der Porosität der aus Feinoxidpulver hergestellten Elektrode verbessert werden, aber die Instabilität blieb ein Problem.

Eine moderne DSSC besteht aus einer porösen Schicht aus Titandioxid-Nanopartikeln, die mit einem molekularen Farbstoff bedeckt sind, der Sonnenlicht absorbiert, wie das Chlorophyll in grünen Blättern. Das Titandioxid wird unter eine Elektrolytlösung getaucht, über der sich ein Katalysator auf Platinbasis befindet. Wie bei einer herkömmlichen Alkalibatterie sind eine Anode (das Titandioxid) und eine Kathode (das Platin) auf jeder Seite eines Flüssigkeitsleiters (des Elektrolyten) angeordnet.

Sonnenlicht gelangt durch die transparente Elektrode in die Farbstoffschicht, wo es Elektronen anregen kann, die dann in das Titandioxid einströmen. Die Elektronen fließen zu der transparenten Elektrode, wo sie gesammelt werden, um eine Last anzutreiben. Nach dem Durchströmen des externen Kreislaufs werden sie wieder in die Zelle auf einer Metallelektrode auf der Rückseite eingeführt, die in den Elektrolyten fließt. Der Elektrolyt transportiert dann die Elektronen zurück zu den Farbstoffmolekülen.

Farbstoffsensibilisierte Solarzellen trennen die beiden Funktionen von Silizium in einem traditionellen Zellendesign. Normalerweise dient das Silizium sowohl als Quelle für Photoelektronen als auch als elektrisches Feld, um die Ladungen zu trennen und einen Strom zu erzeugen. In der farbstoffsensibilisierten Solarzelle wird der Großteil des Halbleiters ausschließlich für den Ladungstransport verwendet, die Photoelektronen werden von einem separaten lichtempfindlichen Farbstoff bereitgestellt. Ladungstrennung tritt an den Oberflächen zwischen Farbstoff, Halbleiter und Elektrolyt auf.

Die Farbstoffmoleküle sind ziemlich klein (Nanometergröße). Um eine vernünftige Menge an einfallendem Licht einzufangen, muss die Schicht der Farbstoffmoleküle ziemlich dick gemacht werden, viel dicker als die Moleküle selbst. Um dieses Problem anzugehen, wird ein Nanomaterial als Gerüst verwendet, um eine große Anzahl von Farbstoffmolekülen in einer 3-D-Matrix zu halten, was die Anzahl der Moleküle für jede gegebene Oberfläche der Zelle erhöht. Bei bestehenden Konstruktionen wird dieses Gerüst durch das Halbleitermaterial bereitgestellt, das einer doppelten Beanspruchung dient.

Konstruktion
Im Fall des ursprünglichen Designs von Grätzel und O’Regan hat die Zelle 3 primäre Teile. Auf der Oberseite befindet sich eine transparente Anode aus Fluorid-dotiertem Zinndioxid (SnO2: F), die auf der Rückseite einer (typischerweise Glas-) Platte abgeschieden ist. Auf der Rückseite dieser leitfähigen Platte befindet sich eine dünne Schicht Titandioxid (TiO2), die sich zu einer hochporösen Struktur mit einer extrem großen Oberfläche ausbildet. Das (TiO2) wird durch einen Prozess, der als Sintern bezeichnet wird, chemisch gebunden. TiO2 absorbiert nur einen kleinen Teil der Sonnenphotonen (die im UV). Die Platte wird dann in eine Mischung aus einem lichtempfindlichen Ruthenium-Polypyridin-Farbstoff (auch als molekulare Sensibilisatoren bezeichnet) und einem Lösungsmittel eingetaucht. Nach dem Einweichen des Films in der Farbstofflösung bleibt eine dünne Schicht des Farbstoffs kovalent an die Oberfläche des TiO 2 gebunden. Die Bindung ist entweder eine Ester-, Chelat- oder zweizähnige Brückenbindung.

Eine separate Platte wird dann mit einer dünnen Schicht des Iodid-Elektrolyten hergestellt, die über eine leitfähige Schicht, typischerweise Platinmetall, verteilt ist. Die zwei Platten werden dann miteinander verbunden und abgedichtet, um zu verhindern, dass der Elektrolyt ausläuft. Die Konstruktion ist so einfach, dass Hobbykits verfügbar sind, um sie von Hand zu konstruieren. Obwohl sie eine Anzahl von „fortgeschrittenen“ Materialien verwenden, sind diese im Vergleich zu dem für normale Zellen benötigten Silizium kostengünstig, da sie keine teuren Herstellungsschritte erfordern. TiO2 wird beispielsweise bereits häufig als Malbasis verwendet.

Eines der effizienten DSSC-Geräte verwendet einen molekularen Farbstoff auf Rutheniumbasis, z. B. [Ru (4,4′-Dicarboxy-2,2′-bipyridin) 2 (NCS) 2] (N3), das über Carboxylateinheiten an eine Photoanode gebunden ist . Die Photoanode besteht aus einem 12 μm dicken Film aus transparenten TiO2-Nanopartikeln mit 10-20 nm Durchmesser, der mit einem 4 μm dicken Film von viel größeren Partikeln (400 nm Durchmesser) bedeckt ist, die Photonen zurück in den transparenten Film streuen. Der angeregte Farbstoff injiziert nach der Lichtabsorption schnell ein Elektron in das TiO2. Das injizierte Elektron diffundiert durch das gesinterte Teilchennetzwerk, um an der vorderseitigen transparenten leitenden Oxid (TCO) -Elektrode gesammelt zu werden, während der Farbstoff durch Reduktion durch ein Redox-Shuttle I3 / I, gelöst in einer Lösung, regeneriert wird. Die Diffusion der oxidierten Form des Pendelkörpers zur Gegenelektrode vervollständigt die Schaltung.

Mechanismus von DSSCs
Die Hauptprozesse, die in einem DSSC auftreten

Schritt 1: Die folgenden primären Schritte konvertieren Photonen (Licht) in Strom:

Das einfallende Photon wird von Ru-Komplex-Photosensibilisatoren absorbiert, die auf der TiO2-Oberfläche adsorbiert sind.
Die Photosensibilisatoren werden vom Grundzustand (S) in den angeregten Zustand (S *) angeregt. Die angeregten Elektronen werden in das Leitungsband der TiO2-Elektrode injiziert. Dies führt zur Oxidation des Photosensibilisators (S +).

S + hν → S * (1)

(2)

Die injizierten Elektronen im Leitungsband von TiO2 werden zwischen TiO2-Nanopartikeln mit Diffusion zum Rückkontakt (TCO) transportiert. Und die Elektronen erreichen schließlich die Gegenelektrode durch die Schaltung.
Der oxidierte Photosensibilisator (S +) nimmt Elektronen vom I-Ionen-Redoxmediator auf, was zur Regeneration des Grundzustands (S) führt, und zwei I-Ionen werden zu elementarem Iod oxidiert, das mit I- in den oxidierten Zustand I3- reagiert.
S + + e → S (3)

Der oxidierte Redoxmediator I3- diffundiert zur Gegenelektrode und wird dann zu I-Ionen reduziert.
I3- + 2 e- → 3 I- (4)

Die Effizienz einer DSSC hängt von vier Energieniveaus der Komponente ab: dem angeregten Zustand (näherungsweise LUMO) und dem Grundzustand (HOMO) des Photosensibilisators, dem Fermi-Niveau der TiO 2 -Elektrode und dem Redoxpotential des Mediators (I- / I3-) im Elektrolyt.

Nanoplantartige Morphologie
In DSSC bestanden Elektroden aus gesinterten halbleitenden Nanopartikeln, hauptsächlich TiO2 oder ZnO. Diese Nanopartikel-DSSCs beruhen auf einer trip-limitierten Diffusion durch die Halbleiter-Nanopartikel für den Elektronentransport. Dies begrenzt die Geräteeffizienz, da es ein langsamer Transportmechanismus ist. Die Rekombination tritt eher bei längeren Wellenlängen der Strahlung auf. Darüber hinaus erfordert das Sintern von Nanopartikeln eine hohe Temperatur von etwa 450 ° C, was die Herstellung dieser Zellen zu robusten, starren festen Substraten einschränkt. Es wurde nachgewiesen, dass die Effizienz von DSSC zunimmt, wenn die gesinterte Nanopartikelelektrode durch eine speziell konstruierte Elektrode ersetzt wird, die eine exotische „nanoplantartige“ Morphologie aufweist.

Betrieb
Sonnenlicht dringt durch den transparenten oberen Kontakt von SnO2: F in die Zelle ein und trifft den Farbstoff auf der Oberfläche des TiO2. Photonen, die mit genügend Energie auf den Farbstoff auftreffen, erzeugen einen angeregten Zustand des Farbstoffs, aus dem ein Elektron direkt in das Leitungsband des TiO 2 „injiziert“ werden kann. Von dort bewegt es sich durch Diffusion (infolge eines Elektronenkonzentrationsgradienten) zu der klaren Anode oben.

Inzwischen hat das Farbstoffmolekül ein Elektron verloren, und das Molekül wird sich zersetzen, wenn kein anderes Elektron zur Verfügung steht. Der Farbstoff streift einen von Iodid im Elektrolyten unter dem TiO & sub2; ab und oxidiert ihn zu Triiodid. Diese Reaktion erfolgt ziemlich schnell im Vergleich zu der Zeit, die das injizierte Elektron benötigt, um mit dem oxidierten Farbstoffmolekül zu rekombinieren, was diese Rekombinationsreaktion verhindert, die die Solarzelle effektiv kurzschließen würde.

Das Triiodid gewinnt dann sein fehlendes Elektron zurück, indem es mechanisch zum Boden der Zelle diffundiert, wo die Gegenelektrode die Elektronen wieder zuführt, nachdem es durch den externen Stromkreis fließt.

Effizienz
Mehrere wichtige Maßnahmen werden zur Charakterisierung von Solarzellen verwendet. Die offensichtlichste ist die gesamte Menge an elektrischer Energie, die für eine bestimmte Menge an Solarenergie produziert wird, die auf die Zelle scheint. In Prozent ausgedrückt, ist dies als Wirkungsgrad der Sonnenumwandlung bekannt. Elektrische Energie ist das Produkt von Strom und Spannung, daher sind auch die maximalen Werte für diese Messungen wichtig, Jsc und Voc. Um schließlich die zugrunde liegende Physik zu verstehen, wird die „Quanteneffizienz“ verwendet, um die Wahrscheinlichkeit zu vergleichen, dass ein Photon (einer bestimmten Energie) ein Elektron erzeugt.

In Bezug auf die Quanteneffizienz sind DSSCs äußerst effizient. Aufgrund ihrer „Tiefe“ in der Nanostruktur besteht eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon absorbiert wird, und die Farbstoffe sind sehr effektiv bei der Umwandlung in Elektronen. Die meisten der kleinen Verluste, die bei DSSCs auftreten, sind auf Leitungsverluste in dem TiO 2 und der klaren Elektrode oder auf optische Verluste in der Frontelektrode zurückzuführen. Die Gesamtquanteneffizienz für grünes Licht beträgt etwa 90%, wobei die „verlorenen“ 10% größtenteils auf die optischen Verluste in der oberen Elektrode zurückzuführen sind. Die Quanteneffizienz traditioneller Designs variiert in Abhängigkeit von ihrer Dicke, ist aber in etwa gleich wie die DSSC.

Theoretisch ist die maximale Spannung, die durch eine solche Zelle erzeugt wird, einfach die Differenz zwischen dem (Quasi-) Fermi-Niveau des TiO 2 und dem Redoxpotential des Elektrolyten, etwa 0,7 V unter Solar-Beleuchtungsbedingungen (Voc). Das heißt, wenn eine beleuchtete DSSC mit einem Voltmeter in einer „offenen Schaltung“ verbunden ist, würde sie ungefähr 0,7 V lesen. Hinsichtlich der Spannung bieten DSSCs etwas höhere Voc als Silizium, ungefähr 0,7 V verglichen mit 0,6 V. Dies ist a ziemlich kleiner Unterschied, so dass reale Unterschiede von der aktuellen Produktion dominiert werden, Jsc.

Obwohl der Farbstoff in der Lage ist, absorbierte Photonen in freie Elektronen im TiO2 umzuwandeln, erzeugen nur durch den Farbstoff absorbierte Photonen schließlich Strom. Die Geschwindigkeit der Photonenabsorption hängt vom Absorptionsspektrum der sensibilisierten TiO 2 -Schicht und vom Sonnenflussspektrum ab. Die Überlappung zwischen diesen beiden Spektren bestimmt den maximal möglichen Photostrom. Typischerweise verwendete Farbstoffmoleküle haben im roten Teil des Spektrums im Vergleich zu Silicium im Allgemeinen eine schlechtere Absorption, was bedeutet, dass weniger der Photonen im Sonnenlicht für die Stromerzeugung verwendbar sind. Diese Faktoren begrenzen den von einer DSSC erzeugten Strom, zum Vergleich bietet eine herkömmliche siliziumbasierte Solarzelle etwa 35 mA / cm², während die aktuellen DSSCs etwa 20 mA / cm² bieten.

Die gesamte Spitzenleistungsumwandlungseffizienz für aktuelle DSSCs beträgt etwa 11%. Der aktuelle Rekord für Prototypen liegt bei 15%.

Degradierung
DSSCs werden abgebaut, wenn sie ultravioletter Strahlung ausgesetzt werden. Im Jahr 2014 wurde die Luftinfiltration der häufig verwendeten amorphen Spiro-MeOTAD-Schicht als Hauptursache für den Abbau identifiziert, nicht als Oxidation. Der Schaden könnte durch Hinzufügen einer geeigneten Barriere vermieden werden.

Die Sperrschicht kann UV-Stabilisatoren und / oder UV-absorbierende lumineszierende Chromophore (die bei längeren Wellenlängen emittieren) und Antioxidantien umfassen, um die Effizienz der Zelle zu schützen und zu verbessern.

Vorteile
DSSCs sind derzeit die effizienteste Solartechnologie der dritten Generation (2005 Basic Research Solar Energy Utilization 16). Andere Dünnschichttechnologien liegen typischerweise zwischen 5% und 13%, und herkömmliche, kostengünstige kommerzielle Siliziumplatten arbeiten zwischen 14% und 17%. Dies macht DSSC attraktiv als Ersatz für bestehende Technologien in „Low Density“ -Anwendungen wie Dachsolarkollektoren, wo die mechanische Robustheit und das geringe Gewicht des glaslosen Kollektors einen großen Vorteil darstellt. Sie sind möglicherweise nicht so attraktiv für große Bereitstellungen, in denen kostenintensivere Zellen mit höherem Wirkungsgrad lebensfähiger sind, aber selbst kleine Steigerungen der DSSC-Umwandlungseffizienz könnten sie für einige dieser Aufgaben ebenfalls geeignet machen.

Es gibt einen weiteren Bereich, in dem DSSC besonders attraktiv sind. Der Prozess des direkten Einbringens eines Elektrons in das TiO2 unterscheidet sich qualitativ von dem, der in einer herkömmlichen Zelle auftritt, wo das Elektron innerhalb des ursprünglichen Kristalls „befördert“ wird. Theoretisch könnte das hochenergetische Elektron im Silizium bei niedrigen Produktionsraten mit seinem eigenen Loch rekombinieren und ein Photon (oder eine andere Form von Energie) abgeben, was dazu führt, dass kein Strom erzeugt wird. Obwohl dieser spezielle Fall nicht üblich ist, ist es ziemlich einfach für ein Elektron, das in einem anderen Molekül erzeugt wird, ein Loch zu treffen, das bei einer vorherigen Photoanregung zurückgeblieben ist.

Im Vergleich dazu führt der Injektionsprozess, der in der DSSC verwendet wird, kein Loch in das TiO2 ein, nur ein zusätzliches Elektron. Obwohl es energetisch möglich ist, dass das Elektron wieder in den Farbstoff rekombiniert, ist die Geschwindigkeit, mit der dies auftritt, ziemlich langsam im Vergleich zu der Geschwindigkeit, mit der der Farbstoff ein Elektron aus dem umgebenden Elektrolyten zurückgewinnt. Eine Rekombination direkt vom TiO 2 zu Spezies im Elektrolyten ist ebenfalls möglich, obwohl diese Reaktion wiederum für optimierte Vorrichtungen eher langsam ist. Im Gegensatz dazu ist der Elektronentransfer von der platinbeschichteten Elektrode zu Spezies im Elektrolyten notwendigerweise sehr schnell.

Aufgrund dieser günstigen „differential kinetics“ arbeiten DSSCs auch bei schlechten Lichtverhältnissen. DSSCs sind daher in der Lage, unter bewölktem Himmel und nicht direkter Sonneneinstrahlung zu arbeiten, während traditionelle Designs einen „Ausschnitt“ bei einer niedrigeren Beleuchtungsgrenze erleiden würden, wenn die Ladungsträgerbeweglichkeit gering ist und Rekombination ein Hauptproblem wird. Der Cutoff ist so niedrig, dass sie sogar für den Gebrauch in geschlossenen Räumen vorgeschlagen werden und Energie für kleine Geräte von den Lampen im Haus sammeln.

Ein praktischer Vorteil, den ein DSSCs mit den meisten Dünnschichttechnologien teilt, ist, dass die mechanische Robustheit der Zelle indirekt zu höheren Wirkungsgraden bei höheren Temperaturen führt. In jedem Halbleiter wird eine zunehmende Temperatur einige Elektronen „mechanisch“ in das Leitungsband einbringen. Die Zerbrechlichkeit traditioneller Siliziumzellen erfordert, dass sie vor den Elementen geschützt werden, typischerweise indem sie in einer Glasbox ähnlich einem Gewächshaus mit einem Metallträger für Festigkeit umhüllt werden. Solche Systeme erleiden merkliche Verringerungen der Effizienz, wenn sich die Zellen intern aufheizen. DSSCs sind normalerweise mit einer dünnen Schicht aus leitfähigem Kunststoff auf der vorderen Schicht aufgebaut, wodurch sie Wärme viel leichter abstrahlen und daher bei niedrigeren Innentemperaturen arbeiten können.

Nachteile
Der Hauptnachteil für das DSSC-Design ist die Verwendung des flüssigen Elektrolyten, der Temperaturstabilitätsprobleme aufweist. Bei niedrigen Temperaturen kann der Elektrolyt einfrieren, was die Stromerzeugung beendet und möglicherweise zu physischen Schäden führt. Höhere Temperaturen bewirken, dass sich die Flüssigkeit ausdehnt, was die Abdichtung der Platten zu einem ernsthaften Problem macht. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass kostspieliges Ruthenium (Farbstoff), Platin (Katalysator) und leitendes Glas oder Kunststoff (Kontakt) benötigt werden, um eine DSSC herzustellen. Ein dritter großer Nachteil besteht darin, dass die Elektrolytlösung flüchtige organische Verbindungen (oder flüchtige organische Verbindungen) enthält, Lösungsmittel, die sorgfältig versiegelt werden müssen, da sie für die menschliche Gesundheit und die Umwelt gefährlich sind. Dies, zusammen mit der Tatsache, dass die Lösungsmittel Kunststoffe durchdringen, hat eine großflächige Außenanwendung und Integration in eine flexible Struktur verhindert.

Das Ersetzen des flüssigen Elektrolyten durch einen Feststoff war ein wichtiges fortlaufendes Forschungsgebiet. Jüngste Experimente, bei denen erstarrte geschmolzene Salze verwendet wurden, haben sich als vielversprechend erwiesen, leiden jedoch derzeit an einem höheren Abbau während des fortgesetzten Betriebs und sind nicht flexibel.

Photokathoden und Tandemzellen
Farbstoffsensibilisierte Solarzellen arbeiten als Photoanode (n-DSC), wobei der Photostrom aus der Elektroneninjektion durch den sensibilisierten Farbstoff resultiert. Photokathoden (p-DSCs) arbeiten im Vergleich zum konventionellen n-DSC invers, wobei auf die Farbstoffanregung ein schneller Elektronentransfer von einem p-Halbleiter zum Farbstoff folgt (Farbstoff-sensibilisierte Lochinjektion statt Elektroneninjektion) . Solche p-DSCs und n-DSCs können kombiniert werden, um Tandem-Solarzellen (pn-DSCs) zu konstruieren, und die theoretische Effizienz von Tandem-DSCs liegt weit über der von Single-Junction-DSCs.

Eine Standard-Tandemzelle besteht aus einer n-DSC und einer p-DSC in einer einfachen Sandwich-Konfiguration mit einer dazwischenliegenden Elektrolytschicht. n-DSC und p-DSC sind in Reihe geschaltet, was bedeutet, dass der resultierende Photostrom von der schwächsten Photoelektrode gesteuert wird, während Photospannungen additiv sind. Daher ist die Photostromanpassung sehr wichtig für den Aufbau hocheffizienter Tandem-pn-DSCs. Im Gegensatz zu n-DSCs führte die schnelle Ladungsrekombination nach der farbstoffsensibilisierten Lochinjektion jedoch normalerweise zu niedrigen Photoströmen in p-DSC und beeinträchtigte somit die Effizienz der gesamten Vorrichtung.

Forscher haben herausgefunden, dass die Verwendung von Farbstoffen, die ein Perylenmonoimid (PMI) als Akzeptor und ein an Triphenylamin als Donor gekoppeltes Oligothiophen umfassen, die Leistungsfähigkeit von p-DSC durch Verringerung der Ladungsrekombinationsrate nach Farbstoff-sensibilisierter Lochinjektion stark verbessern. Die Forscher konstruierten ein Tandem-DSC-Gerät mit NiO auf der p-DSC-Seite und TiO2 auf der n-DSC-Seite. Die Anpassung des Photostroms wurde durch Einstellung der NiO- und TiO2-Filmdicke erreicht, um die optischen Absorptionen zu steuern und somit die Photoströme beider Elektroden anzupassen. Die Energieumwandlungseffizienz der Vorrichtung beträgt 1,91%, was die Effizienz ihrer einzelnen Komponenten übersteigt, aber immer noch viel niedriger ist als die von Hochleistungs-n-DSC-Vorrichtungen (6% -11%). Die Ergebnisse sind immer noch vielversprechend, da das Tandem-DSC an sich rudimentär war. Die drastische Verbesserung der Leistung in p-DSC kann schließlich zu Tandem-Vorrichtungen mit viel größerer Effizienz führen als einzelne n-DSCs.

Entwicklung
Die in frühen Versuchszellen (ca. 1995) verwendeten Farbstoffe waren nur im hochfrequenten Ende des Sonnenspektrums, im UV und Blau empfindlich. Neuere Versionen wurden schnell eingeführt (ca. 1999), die einen viel breiteren Frequenzgang hatten, insbesondere „Triscarboxy-Ruthenium-Terpyridin“ [Ru (4,4 ‚, 4 „- (COOH) 3-Terpy) (NCS) 3], was effizient ist bis in den niederfrequenten Bereich von Rot- und IR-Licht.Das breite Spektralverhalten führt dazu, dass der Farbstoff eine dunkelbraunschwarzeFarbe hat, und wird einfach als „schwarzer Farbstoff“ bezeichnet. Die Farbstoffe habeneine ausgezeichnete Chance, ein Photon umzuwandeln zu einem Elektron, ursprünglich etwa 80%, aber in neueren Farbstoffen zu fast perfekter Umwandlung verbessernd, beträgt der Gesamtwirkungsgrad etwa 90%, wobei die „verlorenen“ 10% weitgehend auf die optischen Verluste in der oberen Elektrode zurückzuführen sind.

Eine Solarzelle muss in der Lage sein, Elektrizität für mindestens zwanzig Jahre zu produzieren, ohne dass die Effizienz (Lebensdauer) wesentlich abnimmt. Das „Black Dye“ -System wurde 50 Millionen Zyklen unterzogen, was einer Sonneneinstrahlung von zehn Jahren in der Schweiz entspricht. Es wurde kein erkennbarer Leistungsabfall beobachtet. Der Farbstoff ist jedoch in Hochlichtsituationen einem Zusammenbruch unterworfen. In den letzten zehn Jahren wurde ein umfangreiches Forschungsprogramm durchgeführt, um diese Bedenken auszuräumen. Zu den neueren Farbstoffen gehören 1-Ethyl-3-methylimidazoliumtetrocyanoborat [EMIB (CN) 4], das extrem leicht und temperaturbeständig ist, Kupferdiselenium [Cu (In, GA) Se2], das höhere Umwandlungseffizienzen bietet, und andere mit variierenden besondere Eigenschaften.

DSSCs befinden sich immer noch am Anfang ihres Entwicklungszyklus. Effizienzgewinne sind möglich und haben vor kurzem eine breitere Studie begonnen. Dazu gehören die Verwendung von Quantenpunkten zur Umwandlung von Licht höherer Energie (höherer Frequenz) in mehrere Elektronen unter Verwendung von Festkörperelektrolyten für eine bessere Temperaturreaktion und die Änderung der Dotierung des TiO 2, um es besser an den verwendeten Elektrolyten anzupassen.

Neue Entwicklungen

2010
Forscher der École Polytechnique Fédérale de Lausanne und der Université du Québec à Montréal behaupten, zwei der wichtigsten Fragen der DSC gelöst zu haben:

Für den Elektrolyten wurden „neue Moleküle“ geschaffen, die zu einer Flüssigkeit oder einem Gel führen, das transparent und nicht korrosiv ist, was die Photospannung erhöhen und die Leistung und Stabilität der Zelle verbessern kann.
An der Kathode wurde Platin durch Cobaltsulfid ersetzt, das weit weniger teuer, effizienter, stabiler und einfacher im Labor herzustellen ist.
2011
Dyesol und Tata Steel Europe haben im Juni die Entwicklung des weltweit größten Farbstoff-sensibilisierten Photovoltaik-Moduls angekündigt, das auf Stahl in einer kontinuierlichen Linie gedruckt wird.

Dyesol und CSIRO haben im Oktober einen erfolgreichen Abschluss des zweiten Meilensteins im Joint Dyesol / CSIRO-Projekt bekannt gegeben. Dyesol-Direktor Gordon Thompson sagte: „Die Materialien, die während dieser gemeinsamen Zusammenarbeit entwickelt wurden, haben das Potenzial, die Kommerzialisierung von DSC in einer Reihe von Anwendungen, in denen Leistung und Stabilität wesentliche Anforderungen sind, erheblich voranzutreiben. Dyesol ist äußerst erfreut über die bahnbrechenden Fortschritte in der Chemie der Zielmoleküle. Dies schafft einen Weg zur sofortigen kommerziellen Nutzung dieser neuen Materialien. “

Dyesol und Tata Steel Europe haben im November die gezielte Entwicklung von Grid Parity Competitive BIPV-Solarstahl angekündigt, der keine staatlich subventionierten Einspeisetarife benötigt. TATA-Dyesol „Solar Steel“ Roofing wird derzeit auf dem Sustainable Building Envelope Centre (SBEC) in Shotton, Wales installiert.

2012
Forscher der Northwestern University kündigten eine Lösung für ein Hauptproblem von DSSC an, nämlich die Schwierigkeit, den flüssigen Elektrolyten zu verwenden und zu halten, und die daraus resultierende relativ kurze Lebensdauer des Geräts. Dies wird durch den Einsatz von Nanotechnologie und die Umwandlung des flüssigen Elektrolyten in einen Feststoff erreicht. Die Stromausbeute ist ungefähr halb so groß wie die von Siliziumzellen, aber die Zellen sind leicht und möglicherweise viel kostengünstiger herzustellen.

2013
In den letzten 5-10 Jahren wurde eine neue Art von DSSC entwickelt – die Festkörper-Farbstoff-Solarzelle. In diesem Fall wird der Flüssigelektrolyt durch eines von mehreren leitenden Festkörpermaterialien ersetzt. Von 2009 bis 2013 ist die Effizienz von Solid State DSSCs dramatisch von 4% auf 15% gestiegen. Michael Graetzel kündigte die Herstellung von Festkörper-DSSCs mit einer Effizienz von 15% an, die mit Hilfe eines hybriden Perowskit-Farbstoffs CH3NH3PbI3 erreicht wurde, der anschließend aus den getrennten Lösungen von CH3NH3I und PbI2 abgeschieden wurde.

Erste architektonische Integration im neuen Kongresszentrum der EPFL in Zusammenarbeit mit Romande Energie. Die Gesamtfläche beträgt 300 Quadratmeter, in 1400 Modulen von 50 cm x 35 cm. Entworfen von den Künstlern Daniel Schlaepfer und Catherine Bolle.

2018
Forscher haben die Rolle von Oberflächenplasmonenresonanzen auf Gold-Nanostäbchen bei der Leistung von Farbstoffsolarzellen untersucht. Sie fanden heraus, dass mit einer Zunahme der Konzentration in den Nanostäbchen die Lichtabsorption linear anwuchs; die Ladungsextraktion war jedoch auch für die Konzentration anfällig. Mit einer optimierten Konzentration haben sie herausgefunden, dass sich die Gesamtleistungsumwandlungseffizienz von 5,31 auf 8,86% für farbstoffsensibilisierte Y123-Solarzellen verbessert.

Die Synthese einer eindimensionalen TiO2-Nanostruktur direkt auf fluordotierten Zinnoxid-Glassubstraten war über eine zweistufige Solvothermalreaktion erfolgreich. Darüber hinaus kann durch eine TiO2-Sol-Behandlung die Leistung der Doppel-TiO2-Nanodrahtzellen verbessert werden, wodurch eine Leistungsumwandlungseffizienz von 7,65% erreicht wird.

Es wurde eine Gegenelektrode auf der Basis von rostfreiem Stahl für DSSCs beschrieben, die die Kosten im Vergleich zu herkömmlichen Gegenelektroden auf Platinbasis weiter reduziert und für die Anwendung im Freien geeignet ist.

Forscher der EPFL haben die DSSCs auf der Basis von Redoxelektrolyten aus Kupferkomplexen weiterentwickelt, die unter standardmäßigen Bedingungen von AM1.5G, 100 mW / cm2 eine Effizienz von 13,1% und unter 1000 Lux Innenlicht eine Effizienz von 32% erreichen.

Markteinführung
Mehrere kommerzielle Anbieter versprechen in naher Zukunft die Verfügbarkeit von DSCs:

Dyesol hat am 7. Oktober 2008 offiziell seine neuen Produktionsstätten in Queanbeyan, Australien, eröffnet. Danach hat es Partnerschaften mit Tata Steel (TATA-Dyesol) und Pilkington Glass (Dyetec-Solar) für die Entwicklung und Herstellung von DSC BIPV angekündigt. Dyesol hat auch Arbeitsbeziehungen mit Merck, Umicore, CSIRO, dem japanischen Ministerium für Wirtschaft und Handel, Singapore Aerospace Manufacturing und einem Joint Venture mit TIMO Korea (Dyesol-TIMO) aufgenommen.

Solaronix, ein Schweizer Unternehmen, das seit 1993 auf die Herstellung von DSC-Materialien spezialisiert ist, hat 2010 seine Räumlichkeiten erweitert, um eine Fertigungs-Pilotlinie für DSC-Module zu beherbergen.

SolarPrint wurde 2008 in Irland von Dr. Mazhar Bari, Andre Fernon und Roy Horgan gegründet. SolarPrint war das erste in Irland ansässige Unternehmen, das an der Herstellung von PV-Technologie beteiligt war. Die Innovation von SolarPrint war die Lösung für den lösemittelbasierten Elektrolyten, der die Massenvermarktung von DSSC bislang verhindert hat. Die Firma ging im Jahr 2014 in Konkursverwaltung und wurde aufgelöst.

G24innovations wurde 2006 in Cardiff, Südwales, Großbritannien, gegründet. Am 17. Oktober 2007 wurde die Herstellung der ersten farbstoffsensibilisierten Dünnschichten im kommerziellen Maßstab gefordert.
Die Sony Corporation hat farbstoffsensibilisierte Solarzellen mit einer Energieumwandlungseffizienz von 10% entwickelt, die für den kommerziellen Einsatz erforderlich ist.

Tasnee schließt mit Dyesol eine strategische Investitionsvereinbarung ab.

H.Glass wurde 2011 in der Schweiz gegründet.H.Glass hat enorme Anstrengungen unternommen, um industrielle Prozesse für die DSSC-Technologie zu schaffen – die ersten Ergebnisse wurden auf der EXPO 2015 in Mailand im österreichischen Pavillon gezeigt. Der Meilenstein für DSSC ist der Science Tower in Österreich – es ist die größte Installation von DSSC in der Welt – durchgeführt von SFL Technologies.