Klasyfikacja baterii słonecznych - trzecia generacja baterii słonecznych
1. Barwnikowo-czułe baterie słoneczne
DSSC to klasa baterii, które naśladują zasadę fotosyntezy roślin zielonych, przekształcając energię światła słonecznego w elektryczność. Płynne DSSC składają się głównie z fotoanody, ciekłego elektrolitu i fotokatody. Fotoanoda to warstwa porowatego półprzewodnikowego filmu na materiale przewodzącym, pokryta warstwą barwnika czułego na światło; fotokatoda to warstwa platyny lub materiału katalitycznego zawierającego węgiel na materiale przewodzącym. W fotoanodzie materiałem elektrody jest głównie TiO2. Gdy na powierzchnię TiO2 nałożona jest warstwa barwnika o dobrych właściwościach absorpcji światła, barwnik w stanie podstawowym absorbuje światło i przechodzi w stan wzbudzony, a następnie wzbudzony barwnik wstrzykuje elektrony do pasma przewodzenia TiO2. Dochodzi do rozdzielenia nośników ładunku, które są przekazywane do elektrody przeciwnej przez obwód zewnętrzny. Jony 3- w roztworze elektrolitu otrzymują elektrony na elektrodzie przeciwnej i redukują się do I-, a utleniony barwnik po wstrzyknięciu elektronów wraca do stanu podstawowego dzięki I-. I- sam ulega utlenieniu do I3-, zamykając cały cykl.
DSSC mają zalety prostej syntezy i szerokiego zakresu dostępnych materiałów, jednak większość DSSC używa ciekłych elektrolitów, które są podatne na korozję elektrod, wycieki elektrolitu i słabą stabilność baterii. W odpowiedzi na te problemy badacze poczynili postępy w opracowywaniu czysto organicznych barwników i stałych DSSC. W przypadku DSSC trudność w poprawie wydajności wynika z faktu, że istniejące barwniki nie wykorzystują efektywnie fotonów podczerwieni, co skutkuje niską efektywnością absorpcji światła. Dlatego przyszłe badania będą koncentrować się na opracowaniu wydajnych, stabilnych, tanich barwników niezawierających ruten, reagujących na światło bliskiej podczerwieni. Ponadto ważne jest poprawienie zdolności transportu elektronów wewnątrz baterii, przygotowanie wydajnych i trwałych stałych elektrolitów, znalezienie tanich elektrod przeciwstawnych bez platyny oraz poprawa ogólnej żywotności baterii, co ma duże znaczenie dla popularyzacji DSSC.
2. Baterie słoneczne perowskitowe
Rozwój PSC wynika z rozwoju DSSC, z tą różnicą, że PSC wykorzystują perowskitowe hybrydowe materiały organiczno-nieorganiczne zamiast organicznych barwników jako materiały absorbujące światło. PSC składają się z nanokrystalicznej warstwy gęstej, aktywnej warstwy perowskitowej ABX3 (X=Cl-, Br-, I-), warstwy transportu dziur i elektrody przeciwstawnej. Warstwa absorbująca światło ABX3 ma typową trójwymiarową strukturę. A oznacza organiczny jon amonowy (CH3NH3+) zajmujący środek ciała kuboktaedru; B to kation metalu tworzący ośmiościan, np. Pb+, Nb+, Ti4+, Fe3+; X to anion koordynujący z B, tworzący ośmiościan, zwykle Cl-, Br-, I- i inne jony halogenowe. Ośmiościany halogenowe w tym materiale perowskitowym są połączone w stabilną trójwymiarową sieć. Metody przygotowania materiałów perowskitowych obejmują metodę roztworową, koewaporację, metodę roztworu wspomaganą fazą gazową oraz metodę wymiany wewnątrzcząsteczkowej.
Od wprowadzenia PSC, efektywność konwersji fotoelektrycznej wzrasta niemal liniowo, co pokazuje ogromny potencjał takich baterii słonecznych. Pomimo wysokiej wydajności PSC, ich stabilność jest bardzo słaba. Dlatego naukowcy poszukują różnych metod rozwiązania problemu stabilności. Powierzchnia urządzenia PSC jest pokryta warstwą fluorowanego polimeru światłoczułego przez polimeryzację rodnikową indukowaną światłem w temperaturze pokojowej. Ta wielofunkcyjna powłoka nadaje przedniej części urządzenia PSC właściwości samoczyszczące i luminescencyjne, a tylnej stronie superhydrofobowość, chroniąc powierzchnię przed wpływem pary wodnej z powietrza. W warunkach światła widzialnego fotopolimer ponownie emituje światło UV, co pozwala PSC osiągnąć wydajność do 19% przy standardowym oświetleniu. Testy przeprowadzono przez 6 miesięcy w warunkach powietrza i wpływu fotochemicznego, a wyniki wykazały, że właściwości fotoelektryczne PSC są dobrze utrzymane, co wskazuje na stabilny wzrost wydajności tego typu baterii słonecznych. Dlatego przyszłe prace powinny standaryzować normy pracy takich baterii, np. specyfikacje stabilności, normy testów starzeniowych itp. Wraz z postępem technologicznym PSC mogą wyprzedzić cienkowarstwowe baterie słoneczne i stać się nowicjuszem w branży fotowoltaicznej.
3. Baterie słoneczne z kropek kwantowych
Kropki kwantowe to nanomateriały zerowymiarowe, co oznacza, że wszystkie trzy wymiary kropek kwantowych są mniejsze niż długość fali de Broglie ekscytonów materiałów masywnych. Ruch elektronów wewnątrz jest ograniczony we wszystkich kierunkach, co oznacza wyraźny efekt kwantowego ograniczenia. W porównaniu z tradycyjnymi materiałami masywnymi, zaletą kropek kwantowych jest to, że dzięki efektowi rezonansowego tunelowania mogą zwiększyć współczynnik zbierania nośników fotogenerowanych w baterii, zwiększając prąd; poprzez regulację rozmiaru i kształtu kropek kwantowych optymalizuje się poziomy energetyczne i dopasowanie do spektrum słonecznego, zwiększając absorpcję światła. Niektóre kropki kwantowe (np. PbSe) mogą absorbować jeden foton o wysokiej energii, generując wiele par elektron-dziura, czyli efekt wieloekscytonowy. Teoretyczna wydajność pojedynczej złącza QDSC może osiągnąć 44%, znacznie przekraczając limit Shockleya-Queissera dla krzemowych baterii słonecznych.
Od powstania kropki kwantowe wykazują unikalne zalety, takie jak szeroki zakres materiałów, regulowane przerwy energetyczne i wysoka efektywność konwersji fotoelektrycznej, co wskazuje na duży potencjał QDSC. Jednak ze względu na mikroskalę, proces produkcji i wymagania są stosunkowo wysokie, a zasada transportu elektronów wewnątrz jest nadal badana, co skutkuje znacznie niższą wydajnością niż w innych typach baterii. Mimo to ten typ baterii ma niezrównany potencjał. Obecne badania koncentrują się głównie na doborze materiałów, optymalizacji urządzeń i mechanizmie transportu elektronów wewnątrz, aby poprawić wydajność i stabilność QDSC.
Po ponad pół wieku rozwoju i udoskonaleń krystaliczne krzemowe baterie słoneczne cechują się wysoką wydajnością i stabilnością. Przez długi czas w przyszłości krystaliczne krzemowe baterie słoneczne będą dominować w przemyśle fotowoltaicznym. Przyszłe prace skupią się głównie na uproszczeniu procesu produkcji baterii i obniżeniu kosztów, aby ułatwić dalszą popularyzację krystalicznych baterii krzemowych. Jednocześnie naukowcy opracowali różne cienkowarstwowe baterie słoneczne, takie jak GaAs, CdTe, CTGS i inne. W porównaniu z krzemowymi bateriami krystalicznymi, produkcja cienkowarstwowych jest znacznie tańsza, a ich wydajność zbliża się do krzemowych. Jednak większość cienkowarstwowych baterii zawiera rzadkie lub toksyczne pierwiastki, co rodzi problemy bezpieczeństwa. Komercyjne moduły chemiczne nadal wymagają korekt i kontroli, dlatego dalsze prace muszą poprawić procesy (np. domieszkowanie), zwiększyć wydajność, obniżyć koszty produkcji i poprawić stabilność. W porównaniu z dwoma poprzednimi typami baterii, trzecia generacja baterii słonecznych ma wyższe perspektywy zastosowań i potencjał rozwoju, ale ze względu na zaawansowanie mikroświata proces produkcji i wymagania są bardziej skomplikowane, a mechanizm transportu ładunku na granicy faz wymaga dalszych badań.
