1.5.7 Фотоэлементы на красителях

Фотоэлементы на красителях также принадлежат к тонкопленочным солнечнымэлементам. Этот тип фотоэлементов был изобретен в 1991 году швейцарским ученымГретцелем (Grätzel), и поэтому их еще называются «ячейка Гретцела». Первая ячейкаГретцела состояла из анода (толщиной 10 мкм) в виде высокопористогонанокристаллического диоксида титана, поверхность которого покрыта мономолекулярнымслоем красителя и который был сформирован на стеклянной подложке, покрытой слоемпрозрачного проводящего оксида. Пористый анод пропитывался жидким йоднымэлектролитом. Катодом являлась платина.

Ячейка Гретцела работает следующим образом. Свет, проходя через прозрачнуюподложку, поглощается фотоактивным красителем. Электроны, возбужденные светом вкрасителе, переходят в TiO2 и диффундируют к прозрачному проводящему электроду поддействием градиента их концентрации. Электролит замыкает электрическую цепь иобеспечивает транспорт электронов от катода (Pt) к красителю, где они рекомбинируютс

дырками, оставшимися от мигрировавших фотоэлектронов. Таким образом, в ячейкеГретцеля полупроводник (TiO2) используется только для транспорта фотоэлектронов,которые генерируются в фоточувствительном красителе. Этим ячейка Гретцелапринципиально отличается от обычных полупроводниковых фотоэлементов, в которых итранспорт, и генерация фотоэлектронов происходят в объеме полупроводника.

Недостатками ячейки Гретцела являются высокая коррозионная активностьэлектролита и высокая стоимость платины. Однако эти проблемы не являются фатальными имогут быть найдены эффективные решения для них. Например, вместо Pt уже предложеноиспользовать CoS, также предложены менее агрессивные органические электролиты.

В настоящее время рекордная эффективность фотопреобразования ячеек накрасителях составляет 11,1%, что, учитывая невысокую стоимость используемых материалови простоту технологии, делает эти фотоэлементы привлекательными для массовогоприменения.

Постоянно ведутся исследования по поиску новых более дешевых и/или болееэффективных материалов, что позволяет надеяться на повышение эффективность этихструктур. Кроме этого обычного «эволюционного» пути эффективность фотопреобразованияможно еще существенно повысить, если использовать тандемные структуры. Стандартнаяячейка Гретцела работает как фотоанод, когда фототок возникает в результатефотогенерации электронов в фотоактивном красителе. Аналогично можно создатьфотокатод, когда фотоактивный краситель генерирует дырки, или, другими словами,фотовозбужденный краситель индуцирует перенос электрона из р-типа полупроводника вкраситель. Если объединить две такие структуры, работающие как фотоанод и фотокатод, в

один элемент, то эффективность фотопреобразования может быть значительно повышена.Работы в этом направлении ведутся, но пока эффективность таких тандемных структурниже, чем у стандартной ячейки Гретцела n-типа, поскольку существующие ячейки р-типаимеют небольшой фототок, являющийся лимитирующим фактором для всей структуры.

1.6 Фотоэлементы третьего поколения

Фотоэлементы третьего поколения – это устройства, обеспечивающие высокийкоэффициент фотопреобразования при небольшом расходе материалов. Цель разработкиэтих элементов – снизить стоимость электроэнергии ниже 0,5$/Вт (желательно ниже0,2$/Вт). Способ реализации этой задачи – существенно увеличить эффективностьфотопреобразования при сохранении (или незначительном повышении) стоимостипроизводства и издержек на утилизацию и экологическую безопасность. Для осуществления

этой концепции наиболее подходящими являются тонкопленочные технологии.

Наиболее существенными механизмами, понижающими эффективность

фотоэлементов с одним гетеропереходом, являются неполное поглощение солнечногоспектра (в фототок дают вклад только фотоны с энергией, превышающей ширинузапрещенной зоны) и термализация фотоэлектронов, возбужденных фотонами с энергией,существенно превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника. Два этихмеханизма ответственны за потерю почти 50% солнечной энергии. Устранить эти потеривозможно несколькими способами. Во-первых, за счет более эффективного использованиясолнечного спектра. Для этого можно использовать нескольких гетеропереходов с разнойшириной запрещенной зоны, максимально перекрывающих солнечный спектр. Этигетеропереходы могут быть объединены в одну ячейку – так называемые «тандемные»солнечные элементы. Сюда относятся рассмотренные выше гетеропереходы: из аморфногокремния, из халькопиритов, на основе соединений III-V групп или на красителях. Такжегетеропереходы могут быть в виде индивидуальных элементов, но каждый используетсоответствующую часть солнечного спектра. Можно и трансформировать широкийсолнечный спектр в спектр с узким распределением фотонов по энергии вблизиоптимального для конкретного полупроводника значения, например, 1,1 эВ для кремния.Кроме этого, возможна многоэлектронная генерация, когда один фотон с высокой энергиейгенерирует несколько электронов. Возможно реализовать и «многофотонные» процессы –когда несколько фотонов низкой энергии (инфракрасных) генерируют один электрон.

Во-вторых, за счет использования «горячих» фотоэлектронов до их термализации –«ячейки на горячих носителях». С учетом всех этих факторов эффективностьфотопреобразования при нормальной освещенности, т.е. без концентрирования солнечногоизлучения, составляет примерно 66% - термодинамический предел при освещенности,равной 1 солнцу. Абсолютный термодинамический предел, определяемый циклом Карно(при максимально возможной концентрации солнечной энергии на Земле в 46200 раз)соответствует эффективности фотопреобразования примерно 93%. Элементы третьегопоколения используют как эти, так и некоторые другие принципы. В настоящее времяпроводятся интенсивные исследования, направленные на выяснение физических основфункционирования различных типов фотоэлементов третьего поколения, которые позволяютнадеяться на их реализацию в конкретных высокоэффективных устройствах[2].