Lund, Torben

Danish

Efter 20 års intensiv forskning og udvikling er kommercialiseringenaf Grätzel-cellen ved at tage fart. Halvtransparante flerfarvedeglasfacader, der samtidig kan levere strøm er et lovendeanvendelseområde. På RUC har vi undersøgt solcellefarvestoffersstabilitet

Roskilde Universitet

RoskildeUniversityFarvestofsensibiliserede solceller og farvestofstabilitetLund, TorbenPublished in:Dansk KemiPublication date:2012Document VersionTidlig version også kaldet pre-printCitation for published version (APA):Lund, T. (2012). Farvestofsensibiliserede solceller og farvestofstabilitet. Dansk Kemi, 93(9), 40-42.General rightsCopyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright ownersand it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights.            • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research.            • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain.            • You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.Take down policyIf you believe that this document breaches copyright please contact rucforsk@ruc.dk providing details, and we will remove access to thework immediately and investigate your claim.Download date: 02. Dec. 202140 dansk kemi, 93, nr. 9, 2012Af Torben Lund, Institut for Natur, Systemer og Modeller, Roskilde UniversitetStartskuddet til udviklingen af farvestofsolcelen var Grätzel og O´Brians banebrydende Nature-artikel fra 1991 [1]. Med et slag blev effektiviteten af omdannelsen fra lys til elektricitet i en fotoelektrokemisk solcelle øget fra tidligere cellers <1 % til 7,1%. Den grundlæggende opfindelse bygger på at ændre overfladen af titandioxidhalvlederen fra en glat overflade til en nanokrystallinsk svampet struktur. En ændring, der betyder, at den effektive lysvej gennem cellen øges 1000 gange ift. et farvestofmonolag på en glat overflade (figur 1). Grätzel og hans medarbejders andet afgørende bidrag var at introducere helt nye effektive og stabile rutheniumfarvestoffer (figur 2) [2]. I figur 1 ses et skematisk diagram af en farvestofsolcelle (engelsk, Dye-sensitized solar cell, DSC). Oven på et normalt termovinduesglas påføres et tyndt lag (10 mm) af en pasta af nanokrystallinske titandioxid-partikler. Laget af titandioxid på fotoanoden sintres ved høj temperatur (450˚C), der placeres en modelektrode på fotoanoden, og der sendes en farvestofopløs-Farvestofsensibiliserede solceller og farvestofstabilitet Efter 20 års intensiv forskning og udvikling er kommercialiseringen af Grätzel-cellen ved at tage fart. Halvtransparante flerfarvede glasfacader, der samtidig kan levere strøm er et lovende anvendelseområde. På RUC har vi undersøgt solcellefarvestoffers stabilitet.n VEDVARENDE ENERGI41dansk kemi, 93, nr. 9, 2012ning igennem cellen. Den sætter sig fast på TiO2-overfladen. Dernæst fyldes cellen med elektrolyt, hvorefter den forsegles. På figuren ses det, hvordan lyset absorberes af farvestoffet (sen-sibilisatoren, S), hvorefter der ultrahurtigt injiceres en elektron fra den eksiterede tilstand S* til ledningsbåndet i TiO2-halvle-deren. Til slut regenereres S ud fra elektronoverførsel fra redox-mediatoren til S+. Indtil for få år siden bestod redox-mediatoren næsten udelukkende af I-/I3-, men inden for de sidste par år har CoII/CoIII-komplekser og andre en-elektron redox-mediatorer vist sig at være effektive - især i kombination med organiske farvestoffer [3]. Lys til elektricitets-omdannelseseffektiviteten η for de bedste små farvestofceller (< 1 cm2) er 11-12% [3-4], hvilket er en faktor ~2 lavere end de bedste silicium-laboratoriesolceller (22-25%) ved standard-belysningsbetingelser (1000 W/m2). DSC-solcellen har imidlertid en række fordele. 1)  DSC-fabrikationen er relativ simpel, meget billig og har lavt energiforbrug (energitilbagebetalingstiden er beregnet til ~3 måneder) 2)  Teknologien kan bruges på et bredt spektrum af substrater inkl. glas, metal og polymerer. 3)  Effektiviteten af en DSC øges med stigende temperatur i modsætning til siliciumsolcellen.4)  Ved lave lysintensiteter (< 200 W/m2) er forskellen på silici-umsolceller og DSC mindre. 5)  DSC er meget velegnet til produktion af billige og delvist transparente mangefarvede solceller, hvilket gør farvestofsol-celler velegnet til facade- og bygningsintegration. I figur 3 ses et eksempel på en delvis transparent flerfarvet solcelle fra Fraunhoffer Instituttet. Effektiviteten af den aktive del er 4,6% [5]. I figur 4 vises en illustration af, hvordan det kommende nye kongrescenter i Lausanne tænkes indrettet med indbyggede glasfacade-solceller fremstillet af solcellefirmaet Solaronix [6]. Beregninger viser, at solcellefacader kan indbyg-ges for en merpris på ca. 10%. Firmaet G24i i Wales har som de første kommercialiseret DSC i form af små fleksible solcellepaneler til opladning af mobiltelefoner m.m. [7], og en stribe firmaer er på vej. Sony har Figur 1. Opbygning og virkemåde af Grätzel-solcellen. De røde prikker på overfladen af TiO2-nanopartiklerne (grå) symboliserer farvestoffet. Den viste molekylforbindelse er oktaedrisk opbygget. Figuren er taget fra [4].Figur 3. Solcellemodul produceret af Hinsch et al. [5].1       S NN NSN NNRuCCRRCO2HHO2C  Figur 2. Generel struktur for RuLL´(NCS)2-farvestoffer. VEDVARENDE ENERGI nDeres suveræne leverandør afanalytisk tilbehør og udstyr.HPLCGCFast-fase-ekstraktionStandarderDataloggereMiljøDoseringFlowAutomatiseringHjælpeudstyr - EGAKig forbi stand nr. C2-003 og sevore gode messetilbudt42 dansk kemi, 93, nr. 9, 2012bl.a. et DSC-modul med en effektivitet på 9,2%, som indehol-der tre forskellige typer farvestoffer, der dækker forskellige dele af solspektret [8]. Farvestofsolcelleforskning på RUC Ud over effektivitet og pris er lang holdbarhed et vigtigt suc-ceskriterie for en solcelle. Farvestoffet er en central komponent i en DSC, og en farvestofsolcelle kan således maks. have en levetid, der svarer til farvestoffets levetid. På RUC har fokus været at kortlægge alt det, der kan gå galt med farvestoffet i solcellen for ved relativt enkle og hurtige forsøg at kunne forudsige farvestoffets levetid under både belysning og opvarmning. Som de første har vi gjort brug af HPLC koblet til elektrospray massespektrometri (LC-ESI-MS) til at kortlægge produktfordelinger og kinetik af ruthenium-forbindelsernes sidereaktioner i S, S* og S+ tilstandene. Vi har verificeret, at et af farvestofferne (N719) kan gennemgå mere end 3x107 cellecyklusser SS*S+, der kan omregnes til en levetid på 7 år under normale solcelleforhold. Andre farvestof-fer (Z907 og C106) har endnu længere levetid. Solceller skal kunne klare den internationale IEC 61646 standardtest, der bl.a. indbefatter, at solcellen skal kunne klare 1000 timers opvarmning til 85˚C med mindre end 10% tab i effektivitet. Vi har undersøgt forskellige rutheniumkomplek-sers stabilitet ved 85˚C i forskellige elektrolytblandinger. I væske-elektrolytblandinger er farvestofferne ikke tilstrækkeligt stabile og har kun en halveringstid på 150-300 ved 85˚C. Dette problem kunne være en alvorlig forhindring mod kommer-cialiseringen af farvestofsolcellen. I samarbejde med Micahel Grätzel og hans gruppe i Lausanne har vi vist, at ruthenium-kompleksernes stabilitet kan forbedres meget væsentligt ved tilsætning af ionvæsker til elektrolytblandingen. Problemerne omkring den termiske farvestofnedbrydning af RuLĹ (NCS)2-komplekserne ved høje temperaturer synes således at kunne løses. En mere detaljeret beskrivelse af disse undersøgelser gives på et senere tidspunkt i dette tidskrift.  KonklusionEfter 20 års intensiv forskning og udvikling er DSC-teknolo-gien nu ved at være så moden, at et kommercielt gennembrud er nær. DSC har et potentiale til at supplere siliciumsolcellerne i nicheproduktioner som f.eks. glasfacader. Tidligere tiders problemer med langtidsholdbarhed af rutheniumfarvestofferne under forhøjede temperaturer synes løst med anvendelse af optimalt designede elektrolytblandinger.E-mail-adresseTorben Lund: tlund@ruc.dkReferencer1. B. Oregan, M. Gratzel, Nature, 353 (1991) 737-740.2. M.K. Nazeeruddin, A. Kay, I. Rodicio, R. Humphrybaker, E. Muller, P. Liska, N. Vlachopoulos, M. Gratzel, J.Am. Chem. Society, 115 (1993) 6382-6390.3. A. Hagfeldt, G. Boschloo, L.C. Sun, L. Kloo, H. Pettersson, Chemical Reviews, 110 (2010) 6595-6663.4. M. Grätzel, Inorg. Chem. n44 (2005) 6841-6851.5. A. Hinsch, H. Brandt, W. Veurman, S. Hemming, M. Nittel, U. Wurfel, P. Putyra, Lang-Koetz, M. Stabe, S. Beucker, K. Fichter, Solar Energy Mate-rials and Solar Cells, 93 (2009) 820-824.6. http://www.richterdahlrocha.com/en/project/ccr_epfl_ecublens7. http://www.g24i.com/pages,g24i-web-store,80.html8. http://www.sony.net/SonyInfo/technology/technology/theme/solar_01.htmlMichael Grätzel kommer til Roskilde Universitet d. 21/9 i år, hvor han vil give et foredrag om farvestofsolcellen kl. 11.00 i auditorium 15.0 på Institut for Natur Systemer og Modeller. Her vil de nyeste DSC-landvindinger og fremtids-perspektiver blive fremlagt. Alle er velkomne.Figur 4. Arkitekttegning af kommende kongrescenter i Lausanne [6].  Copyright Richter-Dahl Rocha & Associés arcitects SA. n VEDVARENDE ENERGI

Farvestofsensibiliserede solceller og farvestofstabilitet

https://forskning.ruc.dk/files/40106143/dak_09_2012_SD_40_42.pdf

Farvestofsensibiliserede solceller og farvestofstabilitet

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Roskilde Universitet