Klassifizierung von Solarzellen – Solarzellen der dritten Generation
1. Farbstoffsolarzellen
DSSCs sind eine Klasse von Solarzellen, die das Prinzip der Photosynthese grüner Pflanzen nachahmen, um Sonnenlichtenergie in Strom umzuwandeln. Flüssige DSSCs bestehen hauptsächlich aus Photoanode, flüssigem Elektrolyt und Photokathode. Die Photoanode bereitet hauptsächlich eine Schicht porösen Halbleiterfilms auf dem leitfähigen Substrat vor und bringt eine Schicht Farbstoff-Photosensibilisator an; die Photokathode bereitet hauptsächlich eine Schicht aus Platin oder kohlenstoffhaltigem Katalysatormaterial auf dem leitfähigen Substrat vor. In der Photoanode besteht das Elektrodenmaterial hauptsächlich aus TiO2. Wenn eine Schicht Farbstoff-Photosensibilisator mit guten Lichtabsorptions-Eigenschaften auf der Oberfläche von TiO2 angebracht wird, absorbiert der Farbstoff im Grundzustand Licht und wird angeregt, woraufhin der angeregte Farbstoff Elektronen in das Leitungsband von TiO2 einspeist. Die Trennung der Ladungsträger ist abgeschlossen, und sie werden über den externen Stromkreis zur Gegenelektrode geleitet. Das 3- im Elektrolyten erhält an der Gegenelektrode Elektronen und wird zu I- reduziert, und der nach der Elektroneneinspritzung oxidierte Farbstoff wird durch I- in den Grundzustand zurückversetzt. I- selbst wird zu I3- oxidiert, womit der gesamte Zyklus abgeschlossen ist.
DSSCs haben den Vorteil einer einfachen Synthese und einer breiten Materialquelle, aber die meisten DSSCs verwenden flüssige Elektrolyte, die zu Elektrodenkorrosion, Elektrolytleckage und schlechter Batteriestabilität neigen. Um diese Probleme zu lösen, haben Forscher Fortschritte bei der Entwicklung reiner organischer Sensibilisatoren und Festkörper-DSSCs gemacht. Bei DSSCs ist der Grund für die schwierige Effizienzsteigerung, dass die vorhandenen Farbstoffsensibilisatoren infrarote Photonen nicht effektiv nutzen können, was zu einer geringen Lichtabsorptionsrate führt. Daher wird die zukünftige Forschung darauf abzielen, effiziente, stabile, kostengünstige, nicht-rutheniumbasierte Farbstoffsensibilisatoren zu entwickeln, die auf nahinfrarotes Licht reagieren. Darüber hinaus sind die Verbesserung der Elektronentransportkapazität innerhalb der Batterie, die Herstellung hocheffizienter und langlebiger Festkörperelektrolyte, die Suche nach kostengünstigen nicht-Platin-Gegenelektroden und die Verlängerung der Gesamtlebensdauer der Batterie ebenfalls von großer Bedeutung für die Verbreitung von DSSCs.
2. Perowskit-Solarzellen
Der Aufstieg der PSCs basiert auf der Entwicklung der DSSCs, der Unterschied besteht darin, dass PSCs perowskitartige organisch/anorganische Hybridmaterialien anstelle organischer Farbstoffmoleküle als lichtabsorbierendes Material verwenden. PSCs bestehen aus einer nanokristallinen Dichteschicht, der perowskitaktiven Schicht ABX3 (X=Cl-, Br-, I-), einer Lochtransportschicht und einer Gegenelektrode. Die lichtabsorbierende Schicht ABX3 hat eine typische dreidimensionale Struktur. A steht für ein organisches Aminion (CH3NH3+), das das Körperzentrum eines Kuboktaeders besetzt; B steht für ein Metallkation, das eine Oktaederstruktur koordinieren kann, wie Pb+, Nb+, Ti4+, Fe3+ usw.; X steht für ein Anion, das mit B eine Oktaederstruktur bildet, üblicherweise Cl-, Br-, I- und andere Halogenionen. Die Halogenoktaeder in diesem Perowskitmaterial sind koppelnd verbunden und bilden ein stabiles dreidimensionales Netzwerk. Die Herstellungsmethoden für Perowskitmaterialien umfassen hauptsächlich Lösungsmethoden, Ko-Verdampfung, gasphasengestützte Lösungsmethoden und intramolekulare Austauschverfahren.
Seit der Einführung der PSCs hat die photoelektrische Umwandlungseffizienz nahezu linear zugenommen, was das große Potenzial dieser Solarzellen zeigt. Trotz der hohen Effizienz der PSCs ist die Stabilität äußerst gering. Aus diesem Grund suchen Wissenschaftler nach verschiedenen Methoden, um das Stabilitätsproblem zu lösen. Die Oberfläche des PSC-Geräts wird bei Raumtemperatur durch lichtinduzierte radikalische Polymerisation mit einer Schicht fluorierter photosensitiver Polymere beschichtet. Diese multifunktionale Beschichtung verleiht der Vorderseite des PSC-Geräts selbstreinigende und lumineszierende Eigenschaften und sorgt dafür, dass die Rückseite des PSC-Geräts superhydrophobe Eigenschaften besitzt, sodass die Oberfläche des PSC-Geräts nicht durch Wasserdampf in der Luft beeinträchtigt wird. Unter sichtbarem Licht emittiert das Photopolymer UV-Licht erneut, wodurch PSCs unter Standardbeleuchtung eine Effizienz von bis zu 19 % erreichen. Tests über 6 Monate unter Luftumgebung und photochemischer Belastung zeigten, dass die photoelektrischen Eigenschaften der PSCs in allen Aspekten gut erhalten blieben, was auf eine stetige Verbesserung der Leistung dieser Solarzellen hinweist. Daher sollte die zukünftige Arbeit darauf abzielen, die Arbeitsstandards für diese Batterietypen zu standardisieren, wie Stabilitätsspezifikationen, Alterungsteststandards usw. Mit dem Fortschritt der Technologie könnten PSCs Dünnschicht-Solarzellen übertreffen und zu einem Newcomer in der Photovoltaikindustrie werden.
3. Quantenpunkt-Solarzellen
Quantenpunkte sind nulldimensionale Nanomaterialien, was bedeutet, dass alle drei Dimensionen der Quantenpunkte kleiner sind als die de-Broglie-Wellenlänge der Exzitonen in Bulk-Materialien. Die Bewegung der Elektronen im Inneren ist in alle Richtungen eingeschränkt, was den Quantenbegrenzungseffekt besonders deutlich macht. Im Vergleich zu herkömmlichen Bulk-Materialien besteht der Vorteil von Quantenpunkten darin, dass durch den Resonanz-Tunneleffekt die Sammlung der photogenerierten Ladungsträger in der Batterie verbessert werden kann, was den Strom erhöht; durch Anpassung der Größe und Form der Quantenpunkte wird das Energieniveau optimiert und die Anpassung an das Sonnenspektrum verbessert, was die Lichtabsorption erhöht. Einige Quantenpunkte (wie PbSe) können ein hochenergetisches Photon absorbieren und mehrere Elektron-Loch-Paare erzeugen, das heißt, der Multiexciton-Effekt. Die theoretisch vorhergesagte Effizienz von einkernigen QDSCs kann 44 % erreichen, was weit über der Shockley-Queisser-Grenze von Silizium-Solarzellen liegt.
Seit ihrer Entstehung haben Quantenpunkte ihre einzigartigen Vorteile gezeigt, wie eine breite Materialquelle, einstellbare Bandlücken und hohe photoelektrische Umwandlungseffizienz, was auf ein großes Potenzial von QDSCs hinweist. Da diese Batterietypen jedoch mikroskopische Bereiche betreffen, sind die Herstellungsprozesse und Anforderungen relativ hoch, und das interne Elektronentransportprinzip befindet sich noch in der Forschungsphase, was zu einer deutlich geringeren Effizienz im Vergleich zu anderen Batterietypen führt. Dennoch besitzen diese Batterien ein unvergleichliches Potenzial. Die aktuelle Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf die Materialauswahl, Geräteoptimierung und den internen Elektronentransportmechanismus, um die Effizienz und Stabilität von QDSCs zu verbessern.
Nach mehr als einem halben Jahrhundert Entwicklung und Verbesserung haben kristalline Silizium-Solarzellen eine hohe Effizienz und Stabilität erreicht. Auch in absehbarer Zukunft werden kristalline Silizium-Solarzellen die Photovoltaikindustrie dominieren. Der Schwerpunkt zukünftiger Arbeiten liegt hauptsächlich darauf, den Herstellungsprozess der Solarzellen zu vereinfachen und die Produktionskosten zu senken, um die weitere Verbreitung kristalliner Silizium-Solarzellen zu erleichtern. Gleichzeitig haben Wissenschaftler auch verschiedene Dünnschicht-Solarzellen entwickelt, wie GaAs-, CdTe- und CTGS-Dünnschicht-Solarzellen. Im Vergleich zu kristallinen Silizium-Solarzellen sind die Produktionskosten von Dünnschicht-Solarzellen deutlich geringer, und die Effizienz nähert sich immer mehr der von kristallinen Silizium-Solarzellen an. Allerdings enthalten die meisten Dünnschicht-Solarzellen seltene oder giftige Elemente, was zu Sicherheitsproblemen führt. Kommerzielle chemische Module müssen noch korrigiert und geprüft werden, daher ist es notwendig, den Prozess (wie Dotierung usw.) weiter zu verbessern, die Effizienz zu steigern, die Produktionskosten zu senken und die Stabilität zu erhöhen. Im Vergleich zu den beiden vorherigen Solarzellentypen haben Solarzellen der dritten Generation höhere Anwendungsaussichten und Entwicklungspotenziale, aber aufgrund ihrer mikroskopischen Natur sind die Herstellungsprozesse und Anforderungen komplexer, und der Mechanismus des Ladungstransports an Grenzflächen muss noch weiter erforscht werden.
