Klassifizierung von Solarbatterien – Solarbatterien der dritten Generation

Klassifizierung von Solarbatterien – Solarbatterien der dritten Generation

1. Farbstoffsensibilisierte Solarbatterien

DSSCs sind eine Klasse von Batterien, die das Prinzip der Photosynthese grüner Pflanzen simulieren, um Sonnenlichtenergie in Elektrizität umzuwandeln. Flüssige DSSCs bestehen hauptsächlich aus einer Photoanode, einem flüssigen Elektrolyten und einer Photokathode. Die Photoanode bereitet hauptsächlich eine Schicht aus porösem Halbleiterfilm auf dem leitfähigen Substratmaterial vor und bringt eine Schicht aus Farbstoff-Photosensibilisator an; Die Photokathode bereitet hauptsächlich eine Schicht aus Platin oder kohlenstoffhaltigem katalytischem Material auf dem leitfähigen Substratmaterial vor. In der Photoanode besteht das Elektrodenmaterial hauptsächlich aus TiO2. Wenn eine Schicht eines Farbstoff-Photosensibilisators mit guten Lichtabsorptionseigenschaften auf der Oberfläche von TiO2 angebracht wird, absorbiert der Grundzustand des Farbstoffs Licht und geht in einen angeregten Zustand über. Anschließend injiziert der Farbstoff im angeregten Zustand Elektronen in das Leitungsband von TiO2. Die Trennung der Träger ist abgeschlossen und wird über den externen Stromkreis an die Gegenelektrode übertragen. Das 3- in der Elektrolytlösung erhält Elektronen an der Gegenelektrode und wird zu I- reduziert, und der oxidierte Farbstoff wird nach der Elektroneninjektion durch I- in den Grundzustand überführt. I- selbst wird zu I3- oxidiert, wodurch der gesamte Zyklus abgeschlossen wird.
DSSCs bieten die Vorteile einer einfachen Synthese und einer breiten Palette an Materialquellen, die meisten DSSCs verwenden jedoch flüssige Elektrolyte, die anfällig für Elektrodenkorrosion, Elektrolytleckage und schlechte Batteriestabilität sind. Als Reaktion auf die oben genannten Probleme haben Forscher einige Fortschritte bei der Entwicklung rein organischer Sensibilisatoren und Festkörper-DSSCs erzielt. Der Grund dafür, dass die Effizienz bei DSSCs nur schwer zu verbessern ist, liegt darin, dass die vorhandenen Farbstoffsensibilisatoren Infrarotphotonen nicht effektiv nutzen können, was zu einer geringen Lichtabsorptionseffizienz führt. Daher wird der Schwerpunkt künftiger Forschung auf der Entwicklung effizienter, stabiler, kostengünstiger, nicht auf Ruthenium basierender Farbstoffsensibilisatoren liegen, die auf Licht im nahen Infrarot reagieren. Darüber hinaus sind die Verbesserung der Elektronentransportkapazität innerhalb der Batterie, die Herstellung hocheffizienter und langlebiger Festkörperelektrolyte, die Suche nach kostengünstigen Nicht-Pt-Gegenelektroden und die Verbesserung der Gesamtlebensdauer der Batterie auch von großer Bedeutung für die Förderung von DSSCs .

2. Perowskit-Solarbatterien

Der Aufstieg von PSCs geht auf die Entwicklung von DSSCs zurück. Der Unterschied besteht darin, dass PSCs organische/anorganische Hybridmaterialien vom Perowskit-Typ anstelle organischer Farbstoffmoleküle als lichtabsorbierende Materialien verwenden. PSCs bestehen aus einer nanokristallinen dichten Schicht, einer aktiven Perowskitschicht ABX3 (X=Cl-, Br-, I-), einer Lochtransportschicht und einer Gegenelektrode. Die lichtabsorbierende Schicht ABX3 weist eine typische dreidimensionale Struktur auf. A stellt ein organisches Aminion (CH3NH3+) dar, das das Körperzentrum eines Kuboktaeders einnimmt; B stellt ein Metallkation dar, das koordinieren kann, um ein Oktaeder zu bilden, wie z. B. Pb+, Nb+, Ti4+, Fe3+ usw.; X stellt ein Anion dar, das mit B koordinieren kann, um ein Oktaeder zu bilden, im Allgemeinen Cl-, Br-, I- und andere Halogenionen. Die Halogenoktaeder in dieser Art von Perowskitmaterial sind übereinander verbunden, um eine stabile dreidimensionale Netzwerkstruktur zu bilden. Zu den Herstellungsmethoden für Perowskit-Materialien gehören hauptsächlich die Lösungsmethode, die Co-Verdampfungsmethode, die gasphasenunterstützte Lösungsmethode und die Methode des intramolekularen Austauschs.
Seit der Einführung von PSCs ist die Effizienz der photoelektrischen Umwandlung nahezu linear gestiegen, was das große Potenzial solcher PSCs zeigt Solarbatterien . Trotz der hohen Effizienz von PSCs ist die Stabilität äußerst schlecht. Aus diesem Grund suchen Wissenschaftler nach verschiedenen Methoden, um das Stabilitätsproblem zu lösen. Die Oberfläche des PSC-Geräts wird durch lichtinduzierte radikalische Polymerisation bei Raumtemperatur mit einer Schicht aus fluoriertem lichtempfindlichem Polymer beschichtet. Diese Schicht aus multifunktionalem Beschichtungsmaterial verleiht dem vorderen Teil des PSCs-Geräts selbstreinigende und lumineszierende Eigenschaften und sorgt dafür, dass die Rückseite des PSCs-Geräts superhydrophobe Eigenschaften aufweist, wodurch die Oberfläche des PSCs-Geräts nicht superhydrophob wird. Beeinflusst durch Wasserdampf in der Luft. Unter sichtbaren Lichtbedingungen gibt das Photopolymer UV-Licht wieder ab, wodurch PSCs bei Standardbeleuchtung eine Effizienz von bis zu 19 % erreichen. Die Tests wurden 6 Monate lang unter Luftbedingungen und photochemischem Einfluss durchgeführt und die Ergebnisse zeigten, dass die photoelektrischen Eigenschaften von PSCs in allen Aspekten gut erhalten blieben, was darauf hindeutet, dass sich die Leistung dieser Art von Solarbatterien stetig verbessert. Daher sollte die zukünftige Arbeit darin bestehen, die Arbeitsstandards dieses Batterietyps zu standardisieren, wie Stabilitätsspezifikationen, Alterungsteststandards usw. Mit der Weiterentwicklung der Technologie könnten PSCs Dünnschicht-Solarbatterien übertreffen und zu einem Neuling in der Photovoltaik werden Industrie.

3. Quantenpunkt-Solarbatterien

Quantenpunkte sind nulldimensionale Nanomaterialien, was bedeutet, dass die drei Dimensionen der Quantenpunkte alle kleiner sind als die De-Broglie-Wellenlänge der Exzitonen von Massenmaterialien. Die Bewegung seiner inneren Elektronen in alle Richtungen ist eingeschränkt, das heißt, der Quanteneinschlusseffekt ist besonders ausgeprägt. Im Vergleich zu herkömmlichen Massenmaterialien besteht der Vorteil von Quantenpunkten darin, dass sie durch den Resonanztunneleffekt die Sammelrate fotogenerierter Ladungsträger in der Batterie verbessern und dadurch den Strom erhöhen können; Durch die Anpassung der Größe und Form der Quantenpunkte wird das Energieniveau der Quantenpunkte optimiert und die Anpassung an das Sonnenspektrum erhöht die Lichtabsorptionsrate. Einige Quantenpunkte (z. B. PbSe) können ein hochenergetisches Photon absorbieren und so mehrere Elektron-Loch-Paare erzeugen, was den Multi-Exzitonen-Effekt auslöst. Der theoretisch vorhergesagte Wirkungsgrad von Single-Junction-QDSCs kann 44 % erreichen und liegt damit weit über der Shockley-Queisser-Grenze von Silizium-Solarbatterien.
Quantenpunkte haben seit ihrer Einführung ihre einzigartigen Vorteile bewiesen, wie z. B. eine große Auswahl an Materialquellen, einstellbare Bandlücken und eine hohe photoelektrische Umwandlungseffizienz, die alle darauf hinweisen, dass QDSCs großes Potenzial haben. Da es sich bei diesem Batterietyp jedoch um den Mikrobereich handelt, sind der Herstellungsprozess und die Anforderungen relativ hoch und das Prinzip des internen Elektronentransports befindet sich noch im Forschungsstadium, was dazu führt, dass seine Effizienz weitaus geringer ist als bei anderen Batterietypen. Aber dieser Batterietyp verfügt über ein beispielloses Potenzial im Vergleich zu anderen Batterien. Bei dieser Art von Solarbatterien konzentriert sich die aktuelle Forschung hauptsächlich auf die Materialauswahl, die Geräteoptimierung und den internen Elektronentransportmechanismus, um die Effizienz und Stabilität von QDSCs zu verbessern.

Nach mehr als einem halben Jahrhundert der Entwicklung und Verbesserung weisen Solarbatterien aus kristallinem Silizium eine hohe Effizienz und Stabilität auf. Auch in Zukunft werden kristalline Silizium-Solarbatterien die Solar-Photovoltaik-Industrie dominieren. Der Schwerpunkt zukünftiger Arbeiten liegt hauptsächlich auf der Vereinfachung des Herstellungsprozesses von Solarbatterien und der Reduzierung der Batterieherstellungskosten, um die weitere Förderung von Solarbatterien aus kristallinem Silizium zu erleichtern. Gleichzeitig haben Wissenschaftler auch eine Vielzahl von Dünnschicht-Solarbatterien entwickelt, wie etwa GaAs-, CdTe-, CTGS-Dünnschicht-Solarbatterien und so weiter. Im Vergleich zu kristallinen Silizium-Solarbatterien sind die Produktionskosten von Dünnschicht-Solarbatterien stark reduziert und der Wirkungsgrad nähert sich immer mehr dem von kristallinen Silizium-Solarbatterien an. Allerdings enthalten die meisten Dünnschicht-Solarbatterien seltene oder giftige Elemente, was zu Sicherheitsproblemen führt. Kommerziell Das chemische Modul muss noch korrigiert und überprüft werden, daher müssen die Folgearbeiten den Prozess weiter verbessern (z. B. Dotierung usw.), die Effizienz verbessern, die Produktionskosten senken und die Stabilität verbessern. Im Vergleich zu den beiden vorherigen Arten von Solarbatterien haben Solarbatterien der dritten Generation höhere Anwendungsaussichten und ein höheres Entwicklungspotenzial, aber aufgrund ihrer Einbindung in den mikroskopischen Bereich sind der Herstellungsprozess und die Anforderungen komplizierter und der Ladungstransportmechanismus an der Grenzfläche ist erforderlich weiter erforscht werden.