हाइब्रिड सौर सेल

हाइब्रिड सौर कोशिकाएं जैविक और अकार्बनिक अर्धचालक दोनों के फायदे को जोड़ती हैं। हाइब्रिड फोटोवोल्टिक्स में कार्बनिक पदार्थ होते हैं जिनमें संयुग्मित बहुलक होते हैं जो दाता और परिवहन छेद के रूप में प्रकाश को अवशोषित करते हैं। हाइब्रिड कोशिकाओं में अकार्बनिक सामग्री संरचना में स्वीकार्य और इलेक्ट्रॉन ट्रांसपोर्टर के रूप में उपयोग की जाती है। हाइब्रिड फोटोवोल्टिक उपकरणों में न केवल रोल-टू-रोल प्रसंस्करण द्वारा कम लागत वाली क्षमता है बल्कि स्केलेबल सौर ऊर्जा रूपांतरण के लिए भी क्षमता है।

सिद्धांत
सौर कोशिकाएं ऐसे उपकरण होते हैं जो फोटोवोल्टिक प्रभाव से सूरज की रोशनी को बिजली में परिवर्तित करते हैं। एक सौर सेल में इलेक्ट्रॉन सूरज की रोशनी में फोटॉन ऊर्जा को अवशोषित करते हैं जो उन्हें वैलेंस बैंड से चालन बैंड को उत्तेजित करता है। यह एक छेद-इलेक्ट्रॉन जोड़ी उत्पन्न करता है, जो संभावित बाधा (जैसे पीएन जंक्शन) से अलग होता है, और वर्तमान को प्रेरित करता है। कार्बनिक सौर कोशिकाएं अपनी सक्रिय परतों में कार्बनिक पदार्थों का उपयोग करती हैं। आण्विक, बहुलक, और संकर कार्बनिक फोटोवोल्टिक्स वर्तमान में अध्ययन किए जाने वाले कार्बनिक फोटोवोल्टिक उपकरणों के मुख्य प्रकार हैं।

हाइब्रिड सौर सेल
हाइब्रिड सौर कोशिकाओं में, एक कार्बनिक पदार्थ को एक उच्च इलेक्ट्रॉन परिवहन सामग्री के साथ मिश्रित किया जाता है ताकि फोटोएक्टिव परत बन सके। दो सामग्रियों को एक हीटरोज़क्शन-प्रकार फोटोएक्टिव परत में एक साथ इकट्ठा किया जाता है, जिसमें एक सामग्री की तुलना में अधिक बिजली रूपांतरण दक्षता हो सकती है। सामग्री में से एक फोटॉन अवशोषक और उत्तेजक दाता के रूप में कार्य करता है। अन्य सामग्री जंक्शन में उत्तेजना विघटन की सुविधा प्रदान करती है। दाता को हस्तांतरित किया जाता है और फिर दानदाता में बनाए गए उत्तेजना के बाद एक दाता-स्वीकार्य परिसर पर विलाप किया जाता है।

स्वीकार्य सामग्री को अवशोषक को उत्तेजना की बाध्यकारी ऊर्जा के लिए उपयुक्त ऊर्जा ऑफसेट की आवश्यकता होती है। यदि निम्न शर्त संतुष्ट है तो शुल्क हस्तांतरण अनुकूल है:

जहां सुपरस्क्रिप्ट ए और डी क्रमशः स्वीकार्य और दाता को संदर्भित करते हैं, ईए इलेक्ट्रॉन संबंध है, और दाता पर उत्तेजना की यू कोलोम्बिक बाध्यकारी ऊर्जा है। इंटरफ़ेस का एक ऊर्जा आरेख में दिखाया गया है। आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले फोटोवोल्टिक पॉलिमर जैसे एमईएच-पीपीवी, एक्जिटन बाध्यकारी ऊर्जा 0.3 ईवी से 1.4 ईवी तक होती है।

उत्तेजना को अलग करने के लिए आवश्यक ऊर्जा को एलयूएमओ या दाता और स्वीकार्य के चालन बैंड के बीच ऊर्जा ऑफसेट द्वारा प्रदान किया जाता है। विघटन के बाद, वाहक को एक पृथक नेटवर्क के माध्यम से संबंधित इलेक्ट्रोड में ले जाया जाता है।

पुनर्मूल्यांकन द्वारा विनाश से पहले एक उत्तेजना से पहले एक उत्तेजना एक सामग्री के माध्यम से फैल सकता है उत्तेजना प्रसार लंबाई है। यह 5-10 नैनोमीटर के क्रम में, पॉलिमर में छोटा है। रेडिएटिव और गैर-रेडिएटिव क्षय के लिए समय पैमाने 1 पिकोसेकंद से 1 नैनोसेकंद तक है। एक स्वीकार्य के करीब इस लंबाई के भीतर उत्पन्न एक्सीटोन फोटोक्रेंट में योगदान देंगे।

लघु उत्तेजना प्रसार की लंबाई की समस्या से निपटने के लिए, एक चरण अलग-अलग बिलायर के बजाय एक थोक हेटरोज़ंक्शन संरचना का उपयोग किया जाता है। पूरे बहुलक मैट्रिक्स में कणों को फैलाने के लिए चार्ज स्थानांतरण के लिए एक बड़ा इंटरफेसियल क्षेत्र बनाता है। चित्रा 2 एक बिलायर और थोक हेटरोज़ंक्शन के बीच अंतर प्रदर्शित करता है।

इंटरफेस और संरचनाओं के प्रकार
अकार्बनिक-कार्बनिक हाइब्रिड सौर कोशिकाओं के इंटरफेस को नियंत्रित करने से कोशिकाओं की दक्षता में वृद्धि हो सकती है। कार्बनिक और अकार्बनिक के बीच इंटरफेसियल सतह क्षेत्र को बढ़ाकर दक्षता को बढ़ाया जा सकता है ताकि चार्ज अलगाव की सुविधा मिल सके और नैनोस्केल की लंबाई और प्रत्येक संरचना की आवधिकता को नियंत्रित किया जा सके ताकि आरोपों को अलग करने की अनुमति दी जा सके और उचित इलेक्ट्रोड के बिना पुन: संयोजन किए जा सके।इस्तेमाल किए जाने वाले तीन मुख्य नैनोस्केल संरचनाएं मेसोपोरस अकार्बनिक फिल्म हैं जो इलेक्ट्रॉन-दान करने वाले कार्बनिक, वैकल्पिक अकार्बनिक-कार्बनिक लैमेलर संरचनाओं, और नैनोवायर संरचनाओं के साथ जुड़ती हैं।

Mesoporous फिल्मों
Mesoporous फिल्मों का उपयोग अपेक्षाकृत उच्च दक्षता संकर सौर सेल के लिए किया गया है। मेसोपोरस पतली फिल्म सौर कोशिकाओं की संरचना में आमतौर पर एक छिद्रपूर्ण अकार्बनिक शामिल होता है जो कार्बनिक सर्फैक्टेंट से संतृप्त होता है। कार्बनिक प्रकाश को अवशोषित करता है, और इलेक्ट्रॉनों को अकार्बनिक अर्धचालक (आमतौर पर एक पारदर्शी संचालन ऑक्साइड) में स्थानांतरित करता है, जो तब इलेक्ट्रॉन को इलेक्ट्रोड में स्थानांतरित करता है। इन कोशिकाओं के साथ समस्याएं उनके यादृच्छिक क्रम और चार्ज चालन को बढ़ावा देने के लिए अपने नैनोस्केल संरचना को नियंत्रित करने में कठिनाई शामिल हैं।

ऑर्डरर्ड लैमेलर फिल्में
हाल ही में, कार्बनिक और अकार्बनिक यौगिकों की वैकल्पिक परतों का उपयोग इलेक्ट्रोडपोशन-आधारित स्व-असेंबली के माध्यम से नियंत्रित किया गया है। यह विशेष रुचि है क्योंकि यह दिखाया गया है कि वैकल्पिक कार्बनिक-अकार्बनिक परतों की लैमेलर संरचना और आवधिकता समाधान रसायन शास्त्र के माध्यम से नियंत्रित की जा सकती है। व्यावहारिक क्षमताओं के साथ इस प्रकार के सेल का उत्पादन करने के लिए, बड़े कार्बनिक सर्फैक्टेंट जो दृश्यमान स्पेक्ट्रम को अधिक अवशोषित करते हैं उन्हें इलेक्ट्रॉन-स्वीकार्य अकार्बनिक की परतों के बीच जमा किया जाना चाहिए।

आदेशित नैनोस्ट्रक्चर की फिल्में
शोधकर्ता नैनोस्ट्रक्चर-आधारित सौर कोशिकाओं को विकसित करने में सक्षम हुए हैं जो स्व-संगठन प्रक्रियाओं का उपयोग करते हुए इलेक्ट्रॉन-दान करने वाले ऑर्गेनिक्स द्वारा आस-पास के अकार्बनिक नैनोवायर या नैनोट्यूब जैसे आदेशित नैनोस्ट्रक्चर का उपयोग करते हैं। आदेशित नैनोस्ट्रक्चर दाता और स्वीकार्य सामग्री के बीच निर्देशित चार्ज परिवहन और नियंत्रित चरण अलगाव का लाभ प्रदान करते हैं। नैनोवायर आधारित मॉर्फोलॉजी कम आंतरिक प्रतिबिंब, स्पष्ट तनाव में कमी और दोषपूर्ण सहिष्णुता में वृद्धि प्रदान करता है। एल्यूमीनियम पन्नी जैसे कम लागत वाले सबस्ट्रेट्स पर एकल-क्रिस्टलीय नैनोयर्स बनाने और बाद की परतों में तनाव को आराम करने की क्षमता उच्च दक्षता कोशिकाओं से जुड़े दो और प्रमुख लागत बाधाओं को हटा देती है। नैनोवायर आधारित सौर कोशिकाओं की क्षमता में तेजी से बढ़ोतरी हुई है और वे सबसे आशाजनक नैनोस्केल सौर संकर प्रौद्योगिकियों में से एक प्रतीत होते हैं।

मौलिक चुनौती कारक
बड़े पैमाने पर विनिर्माण शुरू करने के लिए हाइब्रिड सेल दक्षता में वृद्धि की जानी चाहिए। तीन कारक दक्षता को प्रभावित करते हैं। सबसे पहले, बैंडगैप को लाल फोटोन को अवशोषित करने के लिए कम किया जाना चाहिए, जिसमें सौर स्पेक्ट्रम में ऊर्जा का एक महत्वपूर्ण हिस्सा होता है। वर्तमान कार्बनिक फोटोवोल्टिक्स ने नीले फोटॉन के लिए क्वांटम दक्षता का 70% दिखाया है। दूसरा, डिवाइस में प्रत्येक परत के बीच संपर्क प्रतिरोध को उच्च भरने वाले कारक और बिजली रूपांतरण दक्षता प्रदान करने के लिए कम किया जाना चाहिए। तीसरा, चार्ज कैरियर गतिशीलता को बढ़ाया जाना चाहिए ताकि फोटोवोल्टिक्स में मोटी सक्रिय परतें हो सकें जबकि वाहक पुनर्मूल्यांकन को कम किया जा सके और डिवाइस के श्रृंखला प्रतिरोध को कम रखा जा सके।

संकर सौर कोशिकाओं के प्रकार

पॉलिमर-नैनोपार्टिकल समग्र
नैनोपार्टिकल्स अर्धचालक पदार्थों की एक श्रेणी है जिसका आकार कम से कम एक आयाम में 1 से 100 नैनोमीटर तक होता है, एक्जिटन तरंग दैर्ध्य के क्रम में। यह आकार नियंत्रण क्वांटम कैदीन बनाता है और बैंड अंतर और इलेक्ट्रॉन संबंध जैसे ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक गुणों के ट्यूनिंग की अनुमति देता है। नैनोपार्टिकल्स में मात्रा अनुपात के लिए एक बड़ा सतह क्षेत्र भी होता है, जो चार्ज स्थानांतरण के लिए अधिक क्षेत्र प्रस्तुत करता है।

फोटोएक्टिव परत को नैनोकणों को एक बहुलक मैट्रिक्स में मिलाकर बनाया जा सकता है। पॉलिमर-नैनोपार्टिकल कंपोजिट्स के आधार पर सौर उपकरण सबसे अधिक पॉलिमर सौर कोशिकाओं के समान होते हैं। इस मामले में, नैनोकणों में पूर्ण कार्बनिक बहुलक सौर कोशिकाओं में उपयोग किए जाने वाले फुलरिन आधारित स्वीकार्यों की जगह लेती है। नैनोकणों पर आधारित हाइब्रिड सौर कोशिकाएं अनुसंधान ब्याज का एक क्षेत्र हैं क्योंकि नैनोकणों में कई गुण होते हैं जो उन्हें फुलेरेंस के लिए बेहतर बना सकते हैं, जैसे कि:

Fullerenes एक उच्च तापमान चाप विधि और निरंतर गैस चरण संश्लेषण के संयोजन द्वारा संश्लेषित होते हैं, जो उनके उत्पादन को मुश्किल और ऊर्जा गहन बनाता है। इसके विपरीत नैनोकणों का कोलाइडियल संश्लेषण एक कम तापमान प्रक्रिया है।

पीसीबीएम (एक आम फुलेरिन स्वीकार्य) लंबे समय के दौरान या गर्मी के संपर्क में आने पर फैलता है, जो रूपरेखा को बदल सकता है और बहुलक सौर कोशिका की दक्षता को कम कर सकता है। नैनोपार्टिकल सौर कोशिकाओं का सीमित परीक्षण इंगित करता है कि वे समय के साथ अधिक स्थिर हो सकते हैं।

नैनोपार्टिकल फुलेरेंस की तुलना में अधिक अवशोषक हैं, जिसका अर्थ है कि पतली डिवाइस में अधिक प्रकाश सैद्धांतिक रूप से अवशोषित किया जा सकता है।

नैनोपार्टिकल आकार अवशोषण को प्रभावित कर सकता है। यह इस तथ्य के साथ संयुक्त है कि कई संभावित अर्धचालक नैनोकणों को अत्यधिक अनुकूलन योग्य बैंडगैप्स की अनुमति मिलती है जिन्हें आसानी से कुछ आवृत्तियों के लिए ट्यून किया जा सकता है, जो सौर कोशिकाओं में फायदेमंद होंगे।

अपने बोहर त्रिज्या के पास आकार के साथ नैनोपार्टिकल्स पर्याप्त ऊर्जावान फोटॉन द्वारा मारा जाने पर दो उत्तेजना उत्पन्न कर सकते हैं।

संरचना और प्रसंस्करण
इस डिवाइस में प्रयुक्त बहुलकों के लिए, छेद गतिशीलता इलेक्ट्रॉन गतिशीलता से अधिक होती है, इसलिए बहुलक चरण छेद परिवहन के लिए उपयोग किया जाता है। इलेक्ट्रोड के लिए नैनोकणों परिवहन इलेक्ट्रॉनों।

बहुलक चरण और नैनोकणों के बीच इंटरफेसियल क्षेत्र बड़ा होना चाहिए। यह बहुलक मैट्रिक्स में कण फैलाने से हासिल किया जाता है। हालांकि, नैनोकणों को इलेक्ट्रॉन परिवहन के लिए परिसंचरण नेटवर्क बनाने के लिए एक दूसरे से जुड़ने की जरूरत है, जो घटनाओं को रोककर होता है।

दक्षता पक्ष अनुपात, ज्यामिति, और नैनोकणों के वॉल्यूम अंश से प्रभावित होती है। नैनोपार्टिकल संरचनाओं में नैनोक्रिस्टल, नैनोरोड और हाइपरब्रैंच संरचनाएं शामिल हैं। चित्रा 3 में प्रत्येक संरचना की एक तस्वीर है। विभिन्न संरचनाएं बहुलक में नैनोपार्टिकल फैलाव को प्रभावित करने और इलेक्ट्रॉन परिवहन के लिए मार्ग प्रदान करके रूपांतरण दक्षता को बदलती हैं।

इलेक्ट्रॉनों तक इलेक्ट्रोड तक पहुंचने के लिए मार्ग प्रदान करने के लिए नैनोपार्टिकल चरण की आवश्यकता होती है।नैनोक्रिस्टल के बजाय नैनोरोड्स का उपयोग करके, एक क्रिस्टल से दूसरे में होपिंग घटना से बचा जा सकता है।

फैब्रिकेशन विधियों में समाधान में दो सामग्रियों को मिलाकर स्पिन-कोटिंग को एक सब्सट्रेट, और विलायक वाष्पीकरण (सोल-जेल) पर शामिल किया जाता है। इनमें से अधिकतर तरीकों में उच्च तापमान प्रसंस्करण शामिल नहीं है। एनीलिंग पॉलिमर चरण में बढ़ता क्रम, बढ़ती चालकता। हालांकि, बहुत लंबे समय तक एनीलिंग बहुलक डोमेन आकार में वृद्धि का कारण बनता है, अंततः इसे उत्तेजना प्रसार की लंबाई से बड़ा बना देता है, और संभावित रूप से संपर्क से धातु के कुछ को फोटोएक्टिव परत में फैलाने की अनुमति देता है, जिससे डिवाइस की दक्षता कम हो जाती है।

सामग्री
हाइब्रिड कोशिकाओं में उपयोग किए जाने वाले अकार्बनिक सेमीकंडक्टर नैनोकणों में सीडीएसई (आकार 6-20 एनएम से है), जेएनओ, टीओओ, और पीबीएस शामिल हैं। फोटो सामग्री के रूप में उपयोग किए जाने वाले सामान्य बहुलकों में व्यापक संयोग होता है और यह भी हाइड्रोफोबिक होता है। फोटो-सामग्री के रूप में उनकी दक्षता एचओएमओ स्तर की स्थिति और आयनीकरण क्षमता से प्रभावित होती है, जो सीधे खुले सर्किट वोल्टेज और हवा में स्थिरता को प्रभावित करती है। उपयोग किए जाने वाले सबसे आम बहुलक पी 3 एचटी (पॉली (3-हेक्सिलथियोपेन)), और एम 3 एच-पीपीवी (पॉली [2-मेथॉक्सी, 5- (2′-एथिल-हेक्सिलॉक्सी) -पी-फेनिलीननेविनिन)] हैं। पी 3 एचटी में 2.1 ईवी और एम 3 एच-पीपीवी का बैंडगैप है ~ 2.4 ईवी का बैंडगैप है। ये मान सीडीएसई, 2.10 ईवी के बैंडगैप से मेल खाते हैं। सीडीएसई का इलेक्ट्रॉन संबंध 4.4 से 4.7 ईवी तक है। जब बहुलक का इस्तेमाल एमईएच-पीपीवी होता है, जिसमें 3.0 ईवी का इलेक्ट्रॉन संबंध होता है, तो इलेक्ट्रॉन affinities के बीच अंतर सीडीएसई से बहुलक तक इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण ड्राइव करने के लिए काफी बड़ा है। सीडीएसई में उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता भी है (600 सेमी 2 · वी -1 -1 -1 )।

प्रदर्शन मूल्य
पीसीपीडीटीबीटी पॉलिमर दाता और सीडीएसई नैनोपार्टिकल स्वीकार्य के आधार पर उच्चतम प्रदर्शन क्षमता 3.2% है।डिवाइस ने 10.1 एमए • सेमी -2, शॉर्ट सर्किट वोल्टेज, 68 वी का एक खुला सर्किट वोल्टेज और 5151 का एक भरने वाला कारक प्रदर्शित किया।

चुनौतियां
व्यावसायीकरण संभव होने से पहले हाइब्रिड सौर कोशिकाओं को समय के साथ क्षमता और स्थिरता में वृद्धि की आवश्यकता होती है। सीडीएसई-पीपीवी प्रणाली के 2.4% की तुलना में, सिलिकॉन फोटोडीसेस में 20% से अधिक बिजली रूपांतरण क्षमताएं होती हैं।
समस्याओं में फोटोओलेर रूपों के रूप में नैनोपार्टिकल एकत्रीकरण की मात्रा को नियंत्रित करना शामिल है। इंटरफ़ेस क्षेत्र को अधिकतम करने के लिए कणों को फैलाने की आवश्यकता है, लेकिन इलेक्ट्रॉन परिवहन के लिए नेटवर्क बनाने के लिए एकत्रित करने की आवश्यकता है। नेटवर्क गठन फैब्रिकेशन की स्थिति के प्रति संवेदनशील है। मृत अंत मार्ग प्रवाह में बाधा डाल सकते हैं। एक संभावित समाधान आदेशित हेटरोज़ंक्शन लागू कर रहा है, जहां संरचना अच्छी तरह से नियंत्रित होती है।

संरचनाएं समय के साथ परिवर्तन, अर्थात् चरण अलगाव से गुजर सकती हैं। आखिरकार, बहुलक डोमेन आकार कैरियर प्रसार की लंबाई से अधिक होगा, जो प्रदर्शन को कम करता है।

भले ही नैनोपार्टिकल बैंडगैप को ट्यून किया जा सके, इसे संबंधित बहुलक के साथ मिलान करने की आवश्यकता है।सीडीएसई का 2.0 ईवी बैंडगैप प्रकाश के अवशोषण के लिए 1.4 के आदर्श बैंडगैप से बड़ा है।

शामिल नैनोकणों आमतौर पर कोलोइड्स होते हैं, जो लिगैंड्स द्वारा समाधान में स्थिर होते हैं। लिगैंड डिवाइस दक्षता को कम करते हैं क्योंकि वे इंसुल्युलेटर के रूप में कार्य करते हैं जो दाता और नैनोपार्टिकल स्वीकार्य के बीच बातचीत के साथ-साथ इलेक्ट्रॉन गतिशीलता को कम करता है। कुछ, लेकिन पूरी सफलता नहीं है, प्रारंभिक लिगैंड्स को पाइरीडिन या एक और शॉर्ट चेन लिगैंड के आदान-प्रदान के द्वारा किया गया है।

हाइब्रिड सौर कोशिकाएं थोक सिलिकॉन अर्धचालकों से कम सामग्री गुणों को प्रदर्शित करती हैं। कैरियर की गतिशीलता सिलिकॉन की तुलना में बहुत छोटी है। सिलिकॉन में इलेक्ट्रॉन गतिशीलता 1000 सेमी 2 · वी -1 -1 -1 है , सीडीएसई में 600 सेमी 2 · वी -1 -1 -1 की तुलना में, और 10 सेमी से कम 2 · वी -1 -1 -1 अन्य क्वांटम में डॉट सामग्री। एमईएच-पीपीवी में होल गतिशीलता 0.1 सेमी 2 · वी -1 -1 है , जबकि सिलिकॉन में यह 450 सेमी 2 · वी -1 -1 है ।

कार्बन नैनोट्यूब
कार्बन नैनोट्यूब (सीएनटी) में उच्च इलेक्ट्रॉन चालकता, उच्च थर्मल चालकता, मजबूती और लचीलापन होता है। सीएनटी का उपयोग कर फील्ड उत्सर्जन डिस्प्ले (एफईडी), तनाव सेंसर, और फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर (एफईटी) का प्रदर्शन किया गया है। प्रत्येक एप्लिकेशन नैनोस्केल उपकरणों और लचीली इलेक्ट्रॉनिक्स अनुप्रयोगों के लिए सीएनटी की क्षमता दिखाता है। इस सामग्री के लिए फोटोवोल्टिक अनुप्रयोगों का भी पता लगाया गया है।

मुख्य रूप से, सीएनटी का उपयोग पॉलिमर आधारित फोटोवोल्टिक परत के भीतर या फोटोएक्टिव (फोटॉन-इलेक्ट्रॉन रूपांतरण) परत के रूप में फोटो प्रेरित प्रेरित उत्तेजना वाहक परिवहन माध्यम अशुद्धता के रूप में किया जाता है। धातु के सीएनटी को पूर्व आवेदन के लिए प्राथमिकता दी जाती है, जबकि बाद में सीएनटी अर्धचालक को प्राथमिकता दी जाती है।

कुशल वाहक परिवहन माध्यम
फोटोवोल्टिक दक्षता बढ़ाने के लिए, इलेक्ट्रॉन-स्वीकृति दोषों को फोटोएक्टिव क्षेत्र में जोड़ा जाना चाहिए। पॉलिमर में सीएनटी को शामिल करके, उत्तेजना जोड़ी का पृथक्करण सीएनटी मैट्रिक्स द्वारा पूरा किया जा सकता है। सीएनटी के उच्च सतह क्षेत्र (~ 1600 मीटर 2 / जी) उत्तेजना विघटन के लिए एक अच्छा अवसर प्रदान करता है। बहुलक-सीएनटी मैट्रिक्स के भीतर अलग-अलग वाहक निकट सीएनटी के परिसंचरण मार्गों द्वारा पहुंचे जाते हैं, जो उच्च वाहक गतिशीलता और कुशल चार्ज स्थानांतरण के साधन प्रदान करते हैं। सीएनटी-पॉलिमर हाइब्रिड फोटोवोल्टिक्स के प्रदर्शन के कारक अकार्बनिक फोटोवोल्टिक्स की तुलना में कम हैं। पी 3ओटी अर्धचालक बहुलक में एसडब्ल्यूएनटी ने 0.14 एमए / सेमी 2 के शॉर्ट सर्किट वर्तमान (आईसी) के साथ 0.94 वी के नीचे ओपन सर्किट वोल्टेज (वी ओसी ) का प्रदर्शन किया।

एक्जिटन अलगाव दक्षता बढ़ाने के लिए धातु नैनोकणों को सीएनटी के बाहरी हिस्से में लागू किया जा सकता है। धातु सीएनटी-पॉलिमर इंटरफ़ेस पर एक उच्च विद्युत क्षेत्र प्रदान करता है, जिससे उत्तेजना वाहक को सीएनटी मैट्रिक्स में अधिक प्रभावी ढंग से स्थानांतरित करने के लिए तेज़ किया जाता है। इस मामले में, वी ओसी = 0.3396 वी और मैं एससी = 5.88 एमए / सेमी 2 । भरने का कारक 0.3876% है, और सफेद प्रकाश रूपांतरण कारक 0.775% है।

फोटोएक्टिव मैट्रिक्स परत
सीएनटी को फोटोवोल्टिक डिवाइस के रूप में इस्तेमाल नहीं किया जा सकता है न केवल वाहक परिवहन को बढ़ाने के लिए एक एड-इन सामग्री के रूप में, बल्कि फोटोएक्टिव परत के रूप में भी। अर्धचालक एकल दीवार वाली सीएनटी (एसडब्ल्यूसीएनटी) अद्वितीय संरचनात्मक और विद्युत गुणों के लिए फोटोवोल्टिक अनुप्रयोगों के लिए संभावित रूप से आकर्षक सामग्री है। एसडब्ल्यूसीएनटी में उच्च विद्युत चालकता (तांबा के 100 गुना) है और बैलिस्टिक वाहक परिवहन दिखाता है, जो बहुत कम वाहक पुनर्संरचना करता है। एसडब्ल्यूसीएनटी का बैंडगैप ट्यूब व्यास के विपरीत आनुपातिक है, जिसका अर्थ है कि एसडब्ल्यूसीएनटी सौर स्पेक्ट्रम से मेल खाने वाले कई प्रत्यक्ष बैंडगैप्स दिखा सकता है।

कुशल फोटोजनेरेटेड इलेक्ट्रॉन-होल जोड़ी अलगाव के लिए एसडब्ल्यूसीएनटी में एक मजबूत अंतर्निर्मित विद्युत क्षेत्र का प्रदर्शन उच्च और निम्न कार्य कार्यों के साथ दो असममित धातु इलेक्ट्रोड का उपयोग करके किया गया है। ओपन सर्किट वोल्टेज (वीओसी) 0.28 वी है, शॉर्ट सर्किट वर्तमान (आईएससी) 1.12 एनए • सेमी -2 के साथ 8.8 डब्ल्यू • सेमी -2 के एक घटना प्रकाश स्रोत के साथ। परिणामी सफेद प्रकाश रूपांतरण कारक 0.8% है।

चुनौतियां
फोटोवोल्टिक अनुप्रयोगों में सीएनटी का उपयोग करने के लिए कई चुनौतियों को संबोधित किया जाना चाहिए। एक ऑक्सीजन समृद्ध वातावरण में सीएनटी ओवरटाइम घटता है। सीएनटी ऑक्सीकरण को रोकने के लिए आवश्यक निष्क्रियता परत इलेक्ट्रोड क्षेत्र की ऑप्टिकल पारदर्शिता को कम कर सकती है और फोटोवोल्टिक दक्षता को कम कर सकती है।

कुशल वाहक परिवहन माध्यम के रूप में चुनौतियां
अतिरिक्त चुनौतियों में पॉलिमर फोटोएक्टिव परत के भीतर सीएनटी के फैलाव शामिल हैं। उत्तेजनाओं और इलेक्ट्रोड के बीच चार्ज-ट्रांसफर-सक्षम मार्ग बनाने के लिए सीएनटी को बहुलक मैट्रिक्स के भीतर अच्छी तरह से फैलाना आवश्यक है

फोटोएक्टिव मैट्रिक्स परत के रूप में चुनौतियां
फोटोएक्टिव परत के लिए सीएनटी की चुनौतियों में सीएनटी के कुछ हिस्सों को ढंकने की कठिनाई के कारण पीएन जंक्शन बनाने की क्षमता की कमी शामिल है। (एक पीएन जंक्शन एक आंतरिक अंतर्निर्मित क्षमता बनाता है, जो फोटोवोल्टिक के भीतर कुशल वाहक अलगाव के लिए मार्ग प्रदान करता है।) इस कठिनाई को दूर करने के लिए, ऊर्जा कार्य झुकाव विभिन्न कार्य कार्यों के दो इलेक्ट्रोड के उपयोग से किया गया है। पूरे एसडब्ल्यूसीएनटी चैनल को कवर करने वाला एक मजबूत अंतर्निर्मित विद्युत क्षेत्र उच्च दक्षता वाहक अलगाव के लिए बनाया गया है। इस आवेदन के लिए सीएनटी के साथ ऑक्सीकरण मुद्दा अधिक महत्वपूर्ण है। ऑक्सीकरण सीएनटी में अधिक धातु बनने की प्रवृत्ति होती है, और फोटोवोल्टिक सामग्री के रूप में बहुत कम उपयोगी होती है।

डाई अवगत
डाई-सेंसिटिज्ड सौर कोशिकाओं में एक फोटो-सेंसिटिज्ड एनोड, एक इलेक्ट्रोलाइट, और एक फोटो-इलेक्ट्रोकेमिकल सिस्टम होता है। डाई-सेंसिटाइज्ड सौर कोशिकाओं के आधार पर हाइब्रिड सौर कोशिकाएं अकार्बनिक सामग्री (टीओओ 2) और कार्बनिक पदार्थों के साथ बनाई जाती हैं।

सामग्री
डाई-सेंसिटिज्ड सौर कोशिकाओं के आधार पर हाइब्रिड सौर कोशिकाएं डाई-अवशोषित अकार्बनिक सामग्री और कार्बनिक पदार्थों द्वारा बनाई जाती हैं। टीओओ 2 पसंदीदा अकार्बनिक सामग्री है क्योंकि इस सामग्री को संश्लेषित करना आसान है और दाता की तरह ऑक्सीजन रिक्तियों के कारण एन-प्रकार अर्धचालक के रूप में कार्य करता है। हालांकि, टाइटेनिया केवल यूवी स्पेक्ट्रम के एक छोटे से हिस्से को अवशोषित करता है। अर्धचालक सतह से जुड़े आण्विक संवेदक (डाई अणु) स्पेक्ट्रम का एक बड़ा हिस्सा एकत्र करने के लिए उपयोग किया जाता है। टाइटेनिया डाई-सेंसिटिज्ड सौर कोशिकाओं के मामले में, डाई-सेंसिटिज़र अणु परत द्वारा अवशोषित एक फोटॉन टाइटेनिया के चालन बैंड में इलेक्ट्रॉन इंजेक्शन को प्रेरित करता है, जिसके परिणामस्वरूप वर्तमान प्रवाह होता है। हालांकि, टाइटेनिया डाई-सेंसिटिज्ड सौर कोशिकाओं में लघु प्रसार लंबाई (diffusivity, Dn≤10-4cm2 / s) सौर ऊर्जा से ऊर्जा दक्षता में कमी आती है। प्रसार की लंबाई (या वाहक जीवनकाल) को बढ़ाने के लिए, टाइटेनिया से विभिन्न प्रकार की जैविक सामग्री जुड़ी हुई है।

फैब्रिकेशन योजना
डाई-सेंसिटिज्ड फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल सेल (ग्रेटज़ेल सेल)
टीओओ 2 नैनोकणों को नैनोमीटर स्केल (~ 100 एनएम) के कई दसियों में संश्लेषित किया जाता है। एक फोटोवोल्टिक सेल बनाने के लिए, परमाणु संवेदक (डाई अणु) टाइटेनिया सतह से जुड़े होते हैं। डाई-अवशोषित टाइटेनिया अंत में तरल इलेक्ट्रोलाइट से घिरा हुआ है। इस प्रकार के डाई-सेंसिटिज्ड सौर सेल को ग्रेटज़ेल सेल भी कहा जाता है। डाई-सेंसिटिज्ड सौर सेल में एक छोटी प्रसार लंबाई का नुकसान होता है। हाल ही में, सुपरमोल्यूलर या बहु-कार्यात्मक संवेदकों की जांच की गई है ताकि कैरियर प्रसार की लंबाई में वृद्धि हो सके। उदाहरण के लिए, माध्यमिक इलेक्ट्रॉन दाताओं के अतिरिक्त एक डाई क्रोमोफोर संशोधित किया गया है। अल्पसंख्यक वाहक (इस मामले में छेद) संलग्न इलेक्ट्रॉन दाताओं को पुन: संयोजित करने के लिए फैलता है। इसलिए, चित्रा 5 में दिखाए गए अनुसार डाई-केशन मॉरिटी और टीओओ 2 सतह के बीच भौतिक अलगाव द्वारा इलेक्ट्रॉन-छेद पुनर्मूल्यांकन को मंद किया जाता है। अंत में, यह प्रक्रिया वाहक प्रसार की लंबाई बढ़ाती है, जिसके परिणामस्वरूप वाहक जीवनकाल में वृद्धि होती है।

सॉलिड-स्टेट डाई संवेदी सौर सेल
Mesoporous सामग्री 2 और 50 एनएम के बीच व्यास के साथ छिद्र होते हैं। फोटोवोल्टिक कोशिकाओं को बनाने के लिए टीओओ 2 की डाई-सेंसिटाइज्ड मेसोपोरस फिल्म का उपयोग किया जा सकता है और इस सौर सेल को ‘ठोस-राज्य डाई संवेदी सौर सेल’ कहा जाता है। मेसोपोरस टीओओ 2 पतली फिल्म में छिद्र एक ठोस छेद-संचालन सामग्री जैसे पी-प्रकार अर्धचालक या कार्बनिक छेद संचालन सामग्री से भरे हुए हैं। एक ठोस चार्ज-परिवहन सामग्री के साथ ग्रैट्ज़ेल कोशिकाओं में तरल इलेक्ट्रोलाइट को बदलना फायदेमंद हो सकता है। इलेक्ट्रॉन-छेद पीढ़ी और पुनर्संरचना की प्रक्रिया ग्रेटज़ेल कोशिकाओं के समान ही है। इलेक्ट्रॉनों को टाइटानिया के चालन बैंड में फोटोएक्ससाइट डाई से इंजेक्शन दिया जाता है और छेद को इलेक्ट्रोड के लिए एक ठोस चार्ज ट्रांसपोर्ट इलेक्ट्रोलाइट द्वारा ले जाया जाता है। मेसोपोरस टाइटेनिया पतली फिल्म के आधार पर डाई संश्लेषित सौर कोशिकाओं में उच्च सौर ऊर्जा से ऊर्जा रूपांतरण दक्षता प्राप्त करने के लिए कई कार्बनिक पदार्थों का परीक्षण किया गया है।

दक्षता कारक
डाई-सेंसिटिज्ड सौर कोशिकाओं के लिए प्रदर्शित दक्षता कारक हैं

पैरामीटर डाई संवेदी सौर कोशिकाओं के प्रकार
Grätzel सेल ठोस अवस्था
दक्षता (%) ~ 10-11 ~ 4
वी ओसी (वी) ~ 0.7 ~ 0.40
जे एससी (एमए / सेमी 2 ) ~ 20 ~ 9.10
कारक भरने ~ 0.67 ~ 0.6

चुनौतियां
तरल कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट्स में अत्यधिक संक्षारक आयोडीन होता है, जिससे रिसाव, सीलिंग, हैंडलिंग, डाई विलुप्त होने और रखरखाव की समस्याएं होती हैं। इन समस्याओं को हल करने के लिए अब इलेक्ट्रोलाइट पर अधिक ध्यान केंद्रित किया गया है।

ठोस-राज्य डाई संवेदी सौर कोशिकाओं के लिए, पहली चुनौती विकृत टाइटानिया मेसोपोरस संरचनाओं से निकलती है।मेसोपोरस टाइटेनिया संरचनाओं को समान आकार (~ 10 एनएम) के अच्छी तरह से आदेशित टाइटेनिया संरचनाओं के साथ बनाया जाना चाहिए। दूसरी चुनौती ठोस इलेक्ट्रोलाइट विकसित करने से होती है, जिसमें इन गुणों की आवश्यकता होती है:

इलेक्ट्रोलाइट दृश्यमान स्पेक्ट्रम (विस्तृत बैंड अंतर) के लिए पारदर्शी होना चाहिए।
टाइटेनिया पर डाई अणु परत को कम किए बिना ठोस इलेक्ट्रोलाइट जमा करने के लिए फैब्रिकेशन संभव होना चाहिए।

डाई अणु का LUMO टाइटेनिया के चालन बैंड से अधिक होना चाहिए।

कई पी प्रकार के सेमीकंडक्टर्स मेसोपोरस टाइटेनिया फिल्मों के अंदर क्रिस्टलाइज करते हैं, डाई अणु-टाइटेनिया संपर्क को नष्ट करते हैं। इसलिए, ऑपरेशन के दौरान ठोस इलेक्ट्रोलाइट स्थिर होना चाहिए।

नैनोस्ट्रक्चरर्ड अकार्बनिक – छोटे अणु
2008 में, वैज्ञानिक एक नैनोस्ट्रक्चरर्ड लैमेलर संरचना बनाने में सक्षम थे जो थोक हेटरोज़ंक्शन सौर कोशिकाओं के लिए आदर्श डिजाइन प्रदान करता है। मनाया गया संरचना जेएनओ और छोटे से बना है, कार्बनिक अणुओं का संचालन करता है, जो कार्बनिक और अकार्बनिक घटकों की वैकल्पिक परतों में सह-इकट्ठा होते हैं। यह अत्यधिक संगठित संरचना, जो जैविक अणुओं के बीच π-π स्टैकिंग द्वारा स्थिर है, कार्बनिक और अकार्बनिक परतों दोनों में मार्गों का संचालन करने की अनुमति देती है। परतों की मोटाई (लगभग 1-3 एनएम) एक्जिटन प्रसार की लंबाई के भीतर अच्छी तरह से होती है, जो आदर्श रूप से चार्ज वाहक के बीच पुनर्मूल्यांकन को कम करती है। यह संरचना अकार्बनिक जेएनओ और कार्बनिक अणुओं के बीच इंटरफ़ेस को अधिकतम करती है, जो संरचना के भीतर उच्च क्रोमोफोरे लोडिंग घनत्व को सक्षम करती है। सामग्रियों की पसंद के कारण, यह प्रणाली गैर-विषाक्त और पर्यावरणीय रूप से अनुकूल है, कई अन्य प्रणालियों के विपरीत जो लीड या कैडमियम का उपयोग करती हैं।

यद्यपि इस प्रणाली को अभी तक फोटोवोल्टिक डिवाइस में शामिल नहीं किया गया है, प्रारंभिक फोटोकॉन्डक्टिविटी माप ने दिखाया है कि यह प्रणाली कार्बनिक, हाइब्रिड, और असफ़ल सिलिकॉन फोटोकॉन्डक्टर्स के लिए मापा गया उच्चतम मानों में प्रदर्शित होती है, और इसलिए, कुशल हाइब्रिड फोटोवोल्टिक उपकरणों को बनाने में वादा करता है।