Картинка Vecstock, Freepik

Мы привыкли к тому, что стандартные солнечные элементы питания представляют собой фотоэлектрические устройства на основе p-n перехода. Тем не менее существует интересная альтернатива, использующая принцип разделения функций переноса заряда и световой абсорбции. И такой альтернативой является создание фотохимических полупроводниковых ячеек, сенсибилизированных красителем.

Преимуществами такой технологии является:

• способность работать не только от яркого света, но и от рассеянного, падающего под большими углами;
• эффективность работы в широком диапазоне температур: например, если сравнивать со стандартной кремниевой технологией, производительность у солнечных элементов, созданных с помощью такой технологии, не подвержена влиянию в диапазоне температур от +10° до + 60° C; в то время как у кремниевых солнечных элементов повышение температуры приводит к снижению производительности до 20%;
• привлекательное соотношение цена/производительность (при максимальной солнечной активности, эффективность преобразования превышает 10%);
• малая чувствительность к частичному затенению рабочей поверхности;
• использование простых дешёвых компонентов и доступного оборудования для производства;
• малый вес устройства.

Устройство и принцип действия

Как можно видеть по картинке выше, устройство представляет собой своеобразный «бутерброд», стенки которого являются стеклянными пластинами, покрытыми оксидной токопроводящей плёнкой, с сопротивлением в пределах от 8 до 15 . Задачей этого покрытия является отведение генерирующегося тока в нагрузку. При этом одна из пластин покрыта тонким слоем диоксида титана , на которой осаждён краситель. Оставшееся пространство между пластинами заполнено электролитом.

Особо хотел упомянуть такой момент: на картинке выше есть слой, который называется «графит / сажа / золото / платина». В литературе этот слой именуют «катализатором». Но, к сожалению, мне не удалось найти какого-либо подробного вменяемого объяснения о его роли. Единственное, что нашёл, приведено ниже (в комментариях авторов, ко второму видео, которое будет в конце статьи): «пока свет может попасть на вашу плёнку, не имеет большого значения, с какой стороны она освещается. В коммерческих системах задний контакт (на который мы в ходе этого опыта нанесли графит), обычно представляет собой поверхность с золотым или платиновым покрытием, поэтому свет не может пройти через него. Вероятно, это лучше, потому что сзади, сгенерированные электроны должны пройти дальше от плёнки к заднему контакту, и поскольку ваша плёнка не сильно освещается ярким светом, это приведёт к потерям». Буду рад, если в комментариях будут высказаны идеи по поводу этого.

Принцип работы устройства базируется на переносе электронов от молекулы красителя к диоксиду титана. Если сказать по-простому: падающий свет возбуждает краситель, из которого выбивается электрон, который далее захватывается диоксидом титана, который передаёт его токопроводящему прозрачному слою на стекле, что, в свою очередь, вызывает появление электрического тока в цепи: токопроводящие оксидные слои-нагрузка.

Если более детально, то происходит это следующим образом: когда частица красителя в устройстве получает квант света, электрон красителя переходит в возбуждённое состояние, после чего за период, порядка секунды, электрон уходит в зону проводимости пористого диоксида титана. Так как краситель потерял электрон, он окисляется (то есть наблюдается недостаток электронов, и он имеет положительный заряд), в то время как электроны покидают устройство через анод, в это же время дырки переходят в электролит. Таким образом, происходит разделение зарядов. Окислённый краситель далее восстанавливается из электролита, содержащего йод, за время, около 1 мкс. При этом происходит восстановление красителя, и ионы йода превращаются в молекулы йода, далее за счёт диффузии, проникая к катоду, где и происходит их восстановление с помощью электронов из внешней цепи.

Подбор красителей, поглощающих широкий диапазон падающего света, делает подобное устройство весьма эффективным. В данный момент разработка красителей сосредоточена в направлении создания такого их вида, который ещё больше увеличивает разделение заряда на границе фаз оксид-электролит: он должен соответствовать, по сути, требованиям выпрямления тока, — чтобы был канал для перехода электронов из красителя в диоксид титана, в то же время как обратный ток (забирание электролитом зарядов) — был максимально снижен.
Одним из таких подходов стало добавление гуанидиния тиоцианата в состав электролита, что помогает компактной локализации красителя на поверхности диоксида титана и на выходе позволяет достигнуть эффективности энергопреобразования в 10,6%.

Описание компонентов устройства

▍ Диоксид титана ()

Одним из основных компонентов подобной солнечной батареи является диоксид титана. Несмотря, на такое «слишком химическое» название, с точки зрения обывателя, не нужно пугаться — он является одним из самых распространённых белых красителей и входит в состав множества красок, белил, лаков, различных грунтовок, штукатурок и т.д. и т.п. Ценят его за белизну и укрывистость, позволяющие создавать плотное белое покрытие на поверхности, и, кроме того, стойкое к ультрафиолету. Но, с другой стороны, его нельзя назвать дешёвым компонентом, и высокий процент содержания диоксида титана в лакокрасочном материале — на соответствующий процент поднимает и конечную цену.

Кроме названного, существенное количество диоксида титана идёт на производство пластика и резины, в качестве наполнителей. Также используется он и для производства бумаги, в фармацевтике, в пищевой промышленности (например, в зубных пастах) и даже в белой гуаши:-).

Одно время, автор этой статьи, когда прорабатывал идею собственного самодельного ксерокса (ну да, ударило в голову, было такое) — проводил эксперименты по созданию фотобарабана как раз с применением белой титановой гуаши из детского магазина…

Правда есть некоторая информация, что диоксид титана согласно классификации международного агентства по изучению рака отнесён к группе веществ, являющихся возможными канцерогенами для человека (насколько эта информация точна, не уверен).

При изготовлении солнечной батареи, нанесение титана производят следующим образом: на стеклянную пластину, со стороны токопроводящего слоя наклеиваются квадратом четыре отрезка скотча, таким образом, чтобы в середине между ними образовался квадрат открытого стекла.

Изменяя количество слоёв наклеиваемого скотча, можно варьировать и толщину будущего наносимого титанового покрытия. После чего, диоксид титана, в пастообразном виде наносят на пластину и стеклянной палочкой раскатывают по ней. В результате должна получиться плёнка из диоксида титана толщиной приблизительно 10-14 мкм, а скотч в этом процессе выступает как ограничитель толщины слоя (стеклянная палочка упирается в него).

Далее скотч снимают, и, после высыхания этого слоя, пластина с нанесённым диоксидом титана отжигается на воздухе, что в результате приводит к образованию пористой структуры из диоксида титана, совокупная площадь пор которой примерно в 2000 раз превосходит плоскую поверхность самой пластины. Это необходимо для того, чтобы создать максимальную площадь контакта.

▍ Красители — сенсибилизаторы

Как было уже сказано ранее, красители являются весьма важным элементом, и в качестве них могут использоваться как естественные красители, так и искусственные.

▍ Натуральные красители

Естественные красители являются весьма привлекательными в фотоячейках, так как обладают широким распространением и низкой ценой, в виду возможности быть добытыми из естественных источников.

Например, в качестве таких красителей может быть использован сок красного сицилийского апельсина, экстракт из кожуры баклажана, а также ряд иных плодовых экстрактов:

Картинка: Т. Н. Патрушева – «Технологии изготовления компонентов оксидных солнечных батарей»

Где:

— фототок короткого замыкания;
— фотонапряжение холостого хода;
— мощность;
— коэффициент заполнения;

Тем не менее несмотря на имеющиеся успешные примеры применения, стабильность и устойчивость естественных красителей оставляет желать лучшего, и фактически, можно сказать, что их возможности находятся ниже промышленных требований.

▍ Синтетические красители

Так как эти красители предназначены для обеспечения устойчивого окрашивания в промышленных условиях, к ним предъявляются жёсткие требования и они должны образовывать устойчивые цвета, несмотря на обработку горячей водой, паром, кислотами и т.д. (конечно, они должны соответствовать не всему сразу, каждый краситель предназначен для своего, конкретного применения).

Самыми лучшими красителями, обеспечивающими наивысшие КПД и устойчивость во времени (для целей фотоэлектрического преобразования), являются красители на базе полипирипил-комплексов рутения и осмия («N3», «black dye»).

Кроме того, так, как фотоэлектрические ячейки работают в области видимого спектра, а инфракрасный спектр остаётся не задействованным, идут исследования красителей, способных воспринимать и преобразовывать и этот частотный диапазон. В качестве одного из таких красителей был найден эффективный преобразователь на базе цианинового сенсибилизатора (NK6037).

▍ Электролит

В качестве большинства электролитов используются водные растворы щелочей, солей, кислот. Их несомненным плюсом является то, что концентрация, а, соответственно, и проводимость электролита, может быть изменена в широких пределах. Одними из самых широко распространённых являются растворы гидроксидов калия и натрия, при этом щелочные растворы обладают высокой электрической проводимостью. В качестве электролита могут быть использованы и растворы солей, обладающие умеренной электрической проводимостью.

▍ Прозрачные плёнки-электроды

Так как захваченные электроны необходимо ещё каким-то образом отводить, то для этих целей используются специальные прозрачные и в то же время топроводящие плёнки, нанесённые на поверхность стёкол (стекло нужно в качестве механической основы, чтобы создать механически прочный «бутерброд»). В качестве таковых могут использоваться плёнки с оксидами олова, индия, кадмия, галлия, меди, цинка.

Так как плёнки подобного типа будет не так просто достать, либо они могут быть не совсем дешёвыми, полагаю, что для целей создания дешёвого фотоэлемента можно попробовать использовать какую-либо из великого разнообразия металлизированных декоративных плёнок. Или, например, использовать стандартные металлизированные (т.е. тонированные) стёкла, которые используются для остекления — так как обычно их покрывают металлами, насколько мне известно, в том числе даже и золотом (скажем, стёкла для остекления солнечной стороны зданий). Да, за счёт не такой хорошей прозрачности, эффективность, по идее, будет ниже. Но, почему бы и нет! Этот вопрос остаётся открытым, поэтому будет интересно обсудить его в комментариях…

Практический пример — малиновый фотоэлемент

В примере ниже разобран любопытный вариант создания фотоэлемента, который интересен тем, что дано просто пошаговое руководство, сопровождающее видео, по которому можно достаточно легко повторить показанное:

Вкратце, как это делается: по описанной выше технологии, наклеивается скотч на стекло с токопроводящим слоем, после чего на стекло наносится тонкий слой диоксида титана, предварительно превращённый в пасту, консистенции латексной краски. Для этого он смешивается с сильно разведённой уксусной кислотой (0,1 мл концентрированной кислоты на 50 мл воды) и несколькими каплями средства для мытья посуды.

После нанесения на стекло, скотч снимается, стекло высушивается и обжигается и на нём образуется спечёное пористое покрытие из диоксида титана.

Далее, готовая пластина погружается в малиновый сок, который авторами был предварительно получен из замороженной малины. В процессе такого окунания диоксид титана образует с малиной комплекс и меняет свой цвет, после чего пластина промывается спиртом, для удаления частичек малины и осушения от воды (т.к. спирт поглощает воду).

После этого подготавливается вторая пластина: она проводится токопроводящим слоем с оксидом олова над пламенем свечи, что позволяет её сильно закоптить (насколько я понимаю, это делается для увеличения площади контакта).

Подготовленные пластины соединяются с помощью канцелярского зажима, и в щель между ними с помощью пипетки капается несколько капель раствора трийодида, который за счёт капиллярного действия проникает в пространство между пластинами и занимает его полностью.

Теперь остаётся только подключить провода к токопроводящим слоям обеих стёкол и осветить этот «бутерброд» источником света. Фотоэлемент готов!

Ещё одно хорошее видео аналогичного эксперимента находится вот тут:

Таким образом, как мы видим, есть более дешёвые альтернативы кремниевым солнечным панелям, которые позволяют вполне поэкспериментировать в этой области любому желающему. Однако, говоря об устройствах на основе природных органических красителей, следует иметь в виду, что необходимо каким-то образом озаботиться и о герметизации торцов пластин, чтобы не происходило испарение электролита; кроме того, имеет смысл рассмотреть использование синтетических красителей, так как службы природных будет весьма недолгим…

Для написания статьи использовались материалы, в том числе книги Т. Н. Патрушевой – «Технологии изготовления компонентов оксидных солнечных батарей».

Узнавайте о новых акциях и промокодах первыми из нашего Telegram-канала ????