Фотовольтаика на основе природных красителей

Опубликовано 04.08.2016
Герман Кричевский   |   просмотров - 2307,   комментариев - 0
Фотовольтаика на основе природных красителей


Герман Евсеевич Кричевский,

вице-президент Нанотехнологического общества России, доктор технических наук, профессор, эксперт ЮНЕСКО, президент Рос­сийского Союза Химиков-текстильщиков и колористов. 


Введение.

Фотовольтаика на сегодняшний день – наиболее динамично развивающаяся область производства электричества с помощью солнечной энергии. Следует отметить, что последние достижения в области повышения эффективности и экономичности солнечных панелей и батарей сделаны с помощью окрашивающих веществ: красителей и пигментов, играющих в солнечных батареях роль антенны – эффективного поглотителя солнечного света анодной частью солнечного элемента. В данной статье представлен обзор развития фотовольтаики на основе природных красителей.

Красители и пигменты, являясь по определению, по химическому строению абсорбентами видимой и ультрафиолетовой части спектра, фотовозбуждаясь, способны переносить избыточную энергию возбуждения посредством электронов на молекулы окружающей среды. Это их фотосенсибилизирующее свойство используют в фотоэлементах солнечных батарей.

Первоначально в качестве фотосенсибилизаторов в анодах солнечных батарей использовали синтетические очень дорогие и токсичные красители экзотической структуры, содержащие рутений. Только в последнее время появился теоретический и практический интерес к природным красителям растительного и бактериологического происхождения как фотосенсибилизаторам солнечных батарей. Это понятно и очевидно, поскольку в природе красители, как правило, играют роль абсорберов в видимой и ультрафиолетовой области солнечного спектра и проявляют, благодаря этому, свои полезные (окраска для различных целей), защитные (антимикробные) и другие свойства.

Преимуществом природных красителей перед синтетическими красителями и другими неорганическими фотосенсибилизаторами, как и в других областях их применения, является нетоксичность, биологическая совместимость и биоразлагаемость, простота производства, огромный выбор в природе. Использование природных красителей в фотовольтаике, как и в других областях применения, безусловно является примером бионики, поскольку с современной инновационной технике (фотовольтаике) используются свойства красителей, которые они проявляют в природе.

История солнечной энергетики.

Человек с доисторических времен на протяжении всего развития цивилизации пользовался в той или иной степени и форме солнечной энергией, доходящей до поверхности Земли. Роль Солнца, его энергии еще в древности была оценена человечеством и отражена во многих религиях, в которых одним из основных богов был бог Солнца, дарующий тепло, урожай, жизнь всему сущему. Человек прежде всего научился пользоваться тепловыми лучами солнечного спектра. До остальных составляющих: ультрафиолет, видимая часть спектра – очередь дошла только в последние два столетия.

Солнечную энергетику можно грубо разделить на два направления: термоэнергетика и фотовольтаика.

Термоэнергетика использует тепловые лучи Солнца непосредственно для нагревания теплоносителя различной природы и дальнейшего его использования для различных практических целей, в том числе для производства электричества. Этот подход к использованию тепла Солнца знали еще народы Месопотамии (XII век до нашей эры), используя для концентрации солнечных лучей примитивные линзы. Позднее с помощью таких линз полагалось зажигать священный огонь в древнеримских храмах.

Очень часто упоминается историческая легенда об использовании защитниками сицилийского города Сиракузы (III век до нашей эры) во время Пунических войн концентрированных солнечных лучей для поджога судов осаждающего город римского флота. В одном из вариантов легенды, по рекомендации гениального ученого, математика, инженера, философа, жителя Сиракуз Архимеда, солдаты обороняющихся в солнечный день обратили свои щиты блестящей стороной в сторону флота римлян и зажгли паруса кораблей. По другой версии, на стену осажденного города вышли женщины с зеркалами и направили сконцентрированные солнечные лучи в сторону флота. Результат был тот же. На кораблях возникли пожары и римляне отступили.

Рисунок 1. Легенда о зеркалах Архимеда.

Это замечательный пример роли науки в решении проблем мира и войны. К сожалению, вскоре в результате измены Сиракузы были захвачены римлянами, город был разграблен, а великий Архимед был убит. Ему было 75 лет.

В данной части книги не будет рассматриваться развитие геотермальной энергетики, имеющей безусловные успехи, поскольку в этом направлении энергетики ни природные, ни синтетические красители пока не используются. Здесь внимание будет сосредоточено на фотовольтаике, т.е. генерации электричества с помощью солнечного света. В фотовольтаике синтетические и природные красители начали использовать для создания экономичных, экологичных, гибких, цветных солнечных панелей.

Из всех известных технологий использования энергии солнца самый эффективный – фотоэлектрический на основе полупроводников, когда видимые лучи солнца преобразуются в устройстве – электрической солнечной батарее – в электрический ток за счет фотофизических и фотохимических процессов.

Впервые эффект превращения световой энергии в электрическую наблюдал еще в 1839 году французский ученый Эдмонд Беккерель: в электролитической ячейке при поглощении света веществом возникал электрический ток. Это было началом практической фотовольтаики, Первый закон которой (закон Гротгуса-Дрейпера) гласит: фотохимическое действие вызывает только поглощенная веществом часть света. Второй закон фотоники, фотовольтаики и фотохимии – закон квантовой эквивалентности – был сформулирован Альбертом Эйнштейном: для одного фотохимического акта требуется один квант света (фотон). Сегодня этот закон дополнен возможностью протекания двухквантовых фотопроцессов при очень плотном потоке освещения, в частности, при облучении лазером.

Эти два закона фотоники (фотохимии) легли в основу множества практических направлений, в том числе и фотовольтаики. Из них следует практический вывод о том, что эффективность фотоэлектрических устройств зависит от эффективности поглощения света. А этим свойством в полной мере обладают окрашенные вещества.

Следует отметить фундаментальные труды в области фотоники окрашенных веществ академика Александра Николаевича Теренина, обобщившего многочисленные механизмы, фотофизику и фотохимию превращения природных и синтетических окрашенных веществ в работе «Фотоника молекул красителей».

Большой вклад в развитие фотовольтаики внесли советские ученые Физико-технического института имени Абрама Федоровича Иоффе, где исследования в этом направлении были начаты более полувека назад и за которые академик Жорес Иванович Алферов в 2000 году получил Нобелевскую премию по физике.

Краткий перечень реперных точек фотоэлектрической энергии.

- 1839 – Эдмонд Беккерель – открытие фотогальванического элемента.

- 1843 – Кристиан Гротгус и Джон Дрейпер – сформулировали Первый закон фотоники (фотохимическое действие оказывает только поглощенный свет).

- 1905 – Альберт Эйнштейн – сформулировал Второй закон фотоники (закон квантовой эквивалентности).

- 1928 – Георгий Гамов – туннельный эффект.

- 1946 – Рассел Ол – патент на солнечные батареи современного вида (на основе кремния).

- 1947-1967 – Александр Теренин – систематические исследования фотоники молекул красителей.

- 1954 – Джеральд Пирсон, Дерил Чапин, Келвин Фуллер – изготовление фотоэлемента с КПД выше 5 %.

- 1958 – США, СССР – первые спутники с солнечными батареями.

- 1970 – СССР – солнечные батареи на основе арсенида галлия для лунохода.

- 1974 – Хидеки Ширакава – синтез токопроводящих полимеров.

- 1991 – США – первые фотоэлементы на основе оксида титана с включением красителей (ячейка Гретцеля).

- 1995 – во всех развитых странах начались системные исследования и разработки в области фотовольтаики.

- 2009 – Ватикан – полное обеспечение нужд в энергии за счет солнечной энергетики.

- 2050 – США – 70 % электроэнергии и 30 % всей энергии будет производиться за счет солнечной энергетики.

Тренды мировой энергетики.

В настоящее время мировой энергобаланс сильно сдвинут в сторону потребления ископаемых невозобновляемых видов топлива: нефть, газ, уголь.

Рисунок 2. Доля первичных источников энергии в мировом энергопотреблении.

Сравнительно недавно (по меркам истории) в период Первой промышленной революции (начало середины XIX века) это был уголь, в конце XIX века – нефть, а в XX веке – газ. До этого много тысяч лет использовали возобновляемое биотопливо, как сейчас говорят, а попросту – дрова. Условно невозобновляемым источником энергии является и сырье атомной энергетики – уран.

Все виды невозобновляемого топлива имеют достаточно большой, но ограниченный природный ресурс. Общие прогнозы по срокам полной выработки ископаемого топлива следующие: уголь – 200 лет, нефть – 50 лет, газ – 55 лет, уран 85 лет. Прогнозы прогнозами, но к ним надо относиться осторожно. Еще 20 лет назад никто не говорил о сланцевых ископаемых, а сегодня они существенно изменили энергобаланс на основе невозобновляемых источников.

Помимо ограниченности ресурсов невозобновляемых источников энергии, следует иметь в виду неэкологичность технологий и производства на их основе. При сжигании угля, нефти, газа выделяется значительное количество углекислого газа, загрязняющего атмосферу.

Безусловным трендом развития мировой энергетики будет использование природных ископаемых для производства большого числа полезных продуктов с высокой добавочной стоимостью: пластмассы, искусственные волокна, синтетический каучук, графит, редкие металлы, лаки, краски, парфюмерные и лекарственные средства, стройматериалы, минеральные удобрения, другие продукты переработки угля, нефти и газа.

Ископаемое топливо в ближайшие десятилетия не закроет потребности человечества в энергии. Уже сейчас человечество потребляет 4.1019 Дж энергии. Возобновляемые источники энергии (ВИЭ): солнечная энергетика, ветроэнергетика, биотопливо, геотермальная и приливная энергетика – к 2030 году составят 20% общего объема энергобаланса планеты, а в 2050 году – 50%.

Основную роль в развитии возобновляемых источников энергии будет играть солнечная энергетика, а в ней – фотовольтаика. Солнечные лучи – это неиссякаемый поток энергии. Солнце – это наш ядерный реактор, удаленный на 150 миллионов километров с температурой на поверхности 6000 градусов, а внутри 20000 градусов. За полтора часа Земля получает от Солнца энергию, равную общему мировому потреблению энергии в течении одного года. Годовое количество поступающего на поверхность Земли солнечного излучения составляет 1018 кВт.ч, что в 15000 раз больше энергии, добываемой человечеством из ископаемых источников и посредством ядерной реакции.

Принцип работы фотоэлементов.

Принцип действия фотоэлектрической ячейки в упрощенном виде представляется следующим образом. Ячейка состоит из двух электродов из специальных материалов и электролита. Свет направляется на анод, содержащий специальный поглощающий материал и вызывает в этом материале образование носителей тока электронов и «дырок» (вакансий). Остается эффективно их разделить и собрать на электродах с помощью полупроводников за счет p-n переходов или гетеропереходов.

Солнечная батарея, ее фотоэлемент – это устройство, состоящее из полупроводников, непосредственно преобразующее солнечную энергию в электрическую по сложному фотофизическому и фотохимическому механизму. Это отличает батарею-фотоэлемент от природных биофотоэлементов – растений и водорослей, которые поглощают солнечную энергию окрашенными природными веществами (хлоролисты, красители, пигменты) и превращают ее в биохимическую (синтез разнообразных полисахаридов и биологически активных веществ). Биосинтез в природе протекает тоже по сложному фотофизическому и фотохимическому механизму.

Самым распространенным на сегодня полупроводником в фотоэлементах является кремний в различной физической форме. В пластине полупроводника создаются области с p- и n- типами проводимости за счет введения в полупроводник различных полезных примесей. Атомы III группы периодической системы придают кремнию «дырочную» (положительную) проводимость, а атомы V группы – электронную (отрицательную) проводимость.

При соединении полупроводников двух типов проводимости при облучении возникает диффузия электронов и «дырок», создается разность потенциалов и появляется электрический ток. На самом деле механизм более сложный, но его детальное описание не входит в задачу данной главы. Здесь главное – показать использование красителей, в первую очередь природных, играющих в современной фотовольтаике роль фотоантенн, фотосенсибилизаторов обратимого типа.

Согласно двум законам фотовольтаики, чем эффективнее поглощение света в широком диапазоне солнечного спектра, тем при прочих равных условиях в природе будет эффективнее и биофотохимичесий эффект.

Рисунок 3. Принципиальная схема работы фотоэлемента на основе p- n- перехода.

В настоящее время создают и используют солнечные батареи на основе различных полупроводников с разными добавками с применением токопроводящих полимеров нового поколения. В таблице 1 показана эффективность фотоэлементов различной структуры.

Таблица 1. Эффективность фотоэлементов в зависимости от структуры.

Фотовольтаика, сенсибилизированная красителями.

Удивительно, что развитие фотовольтаики только в последние годы пришло к новой генерации солнечных элементов с использованием красителей как основного светопоглощающего фотовозбуждающегося и электрогенерирующего компонента (фотосенсибилизатора). Ведь это лежало на поверхности решения проблемы фотовольтаики и всей фотоэлектроники.

Чем заняты красители в природе? – Избирательным улавливанием солнечной энергии в видимой и ультрафиолетовой части солнечного спектра для дальнейшего абсолютно жизненно важного фотобиосинтеза биологически полезных веществ. К этой проблеме следовало подойти с позиций бионики, взяв за основу фотоэлектрического элемента солнечной батареи фотобиохимический принцип.

Практическое решение повышения эффективности солнечных батарей с использованием красителей как фотосенсибилизаторов предложил швейцарский ученый Михаэль Гретцель. Поэтому такой солнечный элемент получил название «ячейка Гретцеля».

Рисунок 4. Устройство и принцип работы ячейки Гретцеля.

Анод ячейки Гретцеля представляет пластину высокопористого нанокристаллического диоксида титана (TiO2), в который прочно встроен краситель, связанный с диоксидом титана ковалентной химической связью. Катодом является электропроводящая подложка. Между электродами – токопроводящий электролит (в первоначальном варианте – трийодит I3 в жидкой форме).

Принцип работы такого фотоэлемента следующий. Свет проходит через прозрачную подложку и поглощается фотоактивным красителем (в первоначальном варианте – соединение рутения и марганца). Далее эти электроны диффундируют к прозрачному проводящему электроду за счет градиента концентрации. Электролит замыкает электрическую цепь и позволяет подходить электронам от платинового катода к кремнию, где происходит рекомбинация электронов и «дырок».

Рисунок 5. Принципиальная электрическая схема ячейки Гретцеля.

Ячейка Гретцеля принципиально отличается от классических фотобатарей на основе кремния. Полупроводник диоксид титана выполняет исключительно роль среды, в которой происходит транспорт (диффузия) фотоэлектронов, генерируемых фотовозбужденным красителем. В кремниевых фотоэлементах полупроводник кремний выполняет двойную функцию – генерирует фотоэлектроны и является средой для транспорта электронов. В ячейке Гретцеля краситель, выступая в роли фотосенсибилизатора, играет главенствующую, доминирующую роль, а остальные компоненты – анод из диоксида титана, электролит, платиновый катод – играют вспомогательную роль.

Фотоэлементы, в которых используются красители в качестве фотосенсибилизаторов, получили сокращенное обозначение DSSC (Dye-Sensitized Solar Cell). Такой тип фотоэлементов на основе красителей имеет достоинства и недостатки по сравнению с традиционными солнечными батареями на основе неорганических полупроводников, из которых наиболее используемые в настоящее время – кремниевые. Надо отметить, что до изобретения Гретцелем фотоячейки, фотоактивность красителей использовали в цветной фотографии и в мембранных фотоактивных устройствах.

Рисунок 6. Ячейка Гретцеля в натуре.

К основным достоинствам солнечных батарей на красителях следует отнести их легксть, гибкость при формоустойчивости, простоту производства, низкую цену, возможность встраиваться в различные материалы и изделия, широкий выбор цвета, способность работать при невысокой освещенности и даже внутри помещения.

Недостатки DSSC: недостаточная долговечность, относительно невысокий КПД, экзотичность химического строения красителей. Последний недостаток компенсируется использованием природных красителей.

Природные красителе в фотобатареях типа DSSC.

В DSSC-фотоэлементах механизм генерации энергии напоминает фотосинтез в растениях, где хлорофилл поглощает свет, генерирует электрон, а его перенос реализуют другие молекулы.

Рисунок 7. Энергетические каскады, происходящие в бактериях, растениях и фотоэлементе на красителях.

Фотофизическая «фишка» состоит в таком подборе фотоактивности красителя полупроводника, что возбужденный уровень красителя находится выше нижней границы зоны проводимости полупроводника. При соблюдении этих условий электрон легко переходит в зону проводимости и через анод уходит во внешнюю цепь. На фотокатоде платина катализирует переход (восстановление) трийодида до йодид-иона, который диффундирует к аноду. Окисленная ранее молекула красителя восстанавливается йодид-ионом. Последний переходит вновь в трийодид и транспортируется к фотокатоду, замыкая цепь. Таким образом, краситель и электролит с точки зрения химизма играют роль двойной редокс-системы.

Рисунок 8. Схема работы фотоэлемента на красителе.

Эффективность работы DSSC-фотоэлемента определяется многими параметрами. Одним из основных является плотность тока, которая зависит от эффективности поглощения света – образование возбужденных молекул, генерация фотоэлектронов, перенос их в зону проводимости полупроводника и далее по цепи. Все это в первую очередь зависит от химического строения красителей, которое определяет их фотоактивность (область поглощения, легкость перехода в возбужденное состояние, энергетический уровень возбужденного состояния, время жизни энергетического уровня).

Таблица 2. Примеры химической структуры красителей.

Все компоненты DSSC-фотоэлемента являются вспомогательными по отношению к красителям. Они вносят свой вклад в эффективность фотоэлементов этого типа через свои фотофизические, химические и другие свойства. Совершенствование фотоэлементов на основе красителей идет по пути поиска большей сорбционности диоксида титана с помощью нанодобавок, переходу от жидких электролитов к гелеообразным, а в перспективе и к твердым. Но главное направление – поиск более эффективных, фотоактивных, дешевых, нетоксичных, дружествнных к природе красителей.

Первоначально в качестве основных красителей для DSSC-фотоэлементов использовали металлокомплексные органические красители на основе редкого элемента рутения и марганца. Этот комплекс обеспечивает относительно высокую эффективность DSSC-ячеек, но он токсичен, трудно синтезируем и дорог.

Рисунок 9. Строение DSSC-фотоэлемента на основе металлокомплексных органических красителей «Рутений-Марганец».

Сейчас поиск эффективных красителей для замены этого комплекса в DSSC-ячейках сосредоточился на синтетических красителях различных классов и различного химического строения.

Рисунок 10. Схема работы фотоэлектрохимического элемента на основе синтетических красителей.

С точки зрения эффективности интересные результаты были получены под руководством родоначальника технологии – Гретцель с коллегами получили более 12% преобразования солнечной энергии в электрическую в фотоячейках, используя комплексы цинка с порфирированными красителями. В этих комплексах каждая часть молекул выполняет свою роль: длинные углеводородные радикалы выступают в роли доноров электронов, повышающих электронную плотность в порфирированном ядре, порфирированный цикл с сопряженной системой двойных связей отвечает за интенсивность поглощения света, карбоксильные группы – за образование ковалентной связи с диоксидом титана, что способствует переносу электронов в полупроводнике.

Поиск новых эффективных синтетических красителей металлокомплексного строения продолжается с большим или меньшим успехом. Но следует иметь в виду, что всегда в этом случае остается проблема токсичности производства синтетических красителей и дороговизна технологического процесса. В определенной степени эти недостатки синтетических красителей, как и в других областях применения, компенсируются использованием природных красителей.

Поиск природных красителей в качестве фотосенсибилизаторов в DSSC-фотоэлементах начался в конце прошлого века и продолжается в настоящее время. Эти исследования отличаются исключительной широтой, поскольку природа предоставляет в этом отношении широкие возможности.

Таблица 3. Сравнительная эффективность природных фотосистем и фотоэлементов на основе красителей.

Красители и пигменты необыкновенно богато представлены в природе, особенно в растительном мире. Красители и пигменты содержатся практически во всех растениях: в листьях, коре, корнях, ягодах, фруктах и даже в почве. Окрашенные вещества в растительном мире выполняют широкий круг защитных функций, обусловленных прежде всего их фотоактивностью. Но иногда окрашенные соединения выполняют и другие важные функции, как, например, молекула гемоглобина, являющаяся переносчиком кислорода в животных организмах.

Поиск эффективных фотосенсибилизаторов среди природных красителей сосредоточился в основном на многочисленных окрашенных веществах растительного происхождения. Эффективность этих окрашенных веществ оценивается по отношению к комплексам рутения и цинка, которые являются рекордсменами по эффективности, но имеют недостатки в части токсичности и дороговизны.

Рисунок 11. Развитие фотовольтаики.

Химия работы фотоэлементов на красителях.

В фотоэлементах типа DSSC происходят следующие реакции, инициированные поглощением света красителями:

S/TiO2 + hv --> S*/TiO2 (фотовозбуждение молекулы красителя: S --> S*) (1)

S*/TiO2 --> S+/TiO2 + e-cb(TiO2) (инверсия заряда) (2)

S*/TiO2 --> S/TiO2 + hv + Δ (релаксация) (3)

S+/TiO2 + 2I- --> S/TiO2 + I2- (регенерация) (4)

S*/TiO2 + e-cb(TiO2) --> S/TiO2 (рекомбинация) (5)

e-cb(TiO2) + I2 --> I2-(обратная реакция) (6)

При освещении ячейки DSSC через прозрачный фотоанод краситель (по реакции 1) переходит за несколько фемтосекунд в возбужденное состояние S* и электрон инжектируется в структуру мезопористого нанокристаллического полупроводника TiO2 (реакция 2) за пикосекунды. В структуре диоксида титана менее чем за 10 фемтосекунд происходит релаксация возбужденного состояния красителя, при этом происходит эмиссия фотона. Релаксация (реакция 3) происходит за несколько наносекунд, то есть медленнее, чем инжектирование электронов. Регенерация возбужденной молекулы красителя происходит под действием электролита (реакция 4). Эффективная сцинтилляция за счет рекомбинации электрона e-cb(TiO2) и возбужденной молекулы красителя S*/TiO2 (реакция 5) протекает за миллисекунды. В структуре фотоячейки происходят два важных процесса: перемещение электрона через нанокристаллическую пленку и редокс-захват электрона за счет реакции окисления (реакция 6), которая происходит за миллисекунды.

Основные параметры DSSC-фотоэлемента.

Основные параметры солнечных батарей всех типов, в том числе DSSC-фотоэлементов, оцениваются по вольтамперной характеристике – зависимости силы тока I от напряжения U в стандартных условиях: мощность солнечной радиации 1000 вт/м2, температура ячейки 25 oC, солнечный спектр на широте 45o.

Рисунок 12. Вольтамперная характеристика и основные параметры ячейки Гретцеля.

На этом графике показана кривая мощности фотоэлемента в зависимости от нагрузки. Напряжение, соответствующее максимальной мощности, называется рабочим напряжением Up, а соответствующий ток – рабочим током Ip. КПД фотоэлемента определяется как отношение максимальной мощности элемента к общей мощности света, падающего на его поверхность при стандартных условиях, и составляет на практике от 15% до 40%. Максимальная мощность фотоэлемента Pmax достигатся при максимальных значениях тока Imp и напряжения Ump:

Pmax = ImpxUmp.

Для сравнения работы фотоэлементов с различной площадью конверсии вместо силы тока, измеряемой в mA, используют параметр «плотность тока», измеряемый в mA/см2. Оценка работы фотоэлемента определяется эффективностью конверсии падающего на него солнечного света и временем стабильной работы (ресурса) фотоэлемента. Эти показатели в центре внимания создателей и пользователей солнечными батареями.

Эффективность конверсии солнечной энергии в электрическую (η) рассчитывается по формуле:

η = Pmax/Pin = ImpxVmp/Pin

где Pin – мощность света, падающего на солнечный элемент. Помимо этого, в инженерных рассчетах эффективности работы фотоэлементов используется параметр FF (fill factor, фактор заполнения, коэффициент заполнения), который определяется по формуле:

FF = ImaxxUmax/IscxUoc,

где Imax и Umax – ток и напряжение при максимальной мощности фотоэлемента, определяемой экспериментально; Isc- ток короткого замыкания (максимальный ток, протекающий через выводы солнечного элемента при их коротком замыкании); Uoc – напряжение холостого хода (напряжение, возникающее на разомкнутых выводах солнечного элемента при его облучении солнечным светом).

В продолжение темы использования природных красителей в фотовольтаике в таблицах 4-6 показаны названия растений, из которых были извлечены красители и основные параметры работы солнечных батарей типа DSSC, где эти красители были использованы.

Таблица 4. Натуральные красители для фотовольтаики и показатели их работы.

Таблица 5. Эффективность использования природных красителей в фотовольтаике.

Таблица 6. Фотоэлектрические параметры красителей на основе DSSCs

В таблице 7 показаны для сравнения достоинства и недостатки солнечных батарей традиционного типа (на кремнии) и DSSC-фотоячеек. Как можно видеть из данных, представленных в таблице для большого ряда природных красителей растительного происхождения, пока они уступают по эффективности конверсии света и устойчивости самих красителей по отношению к солнечному свету (попросту говоря, выцветают). Так солнечные батареи традиционного типа работают эффективно более 10-15 лет, а на природных красителях около года.

Таблица 7. Сравнительные характеристики солнечных батарей на основе красителей и солнечных батарей на кремнии.

Свойства

Солнечные батареи на кремнии

Солнечные батареи на основе красителей

Прозрачность

нет

да

Экологичность технологии и материалов

нормальная

Очень высокая

Стоимость производства электроэнергии

высокая

низкая

Эффективность генерации электроэнергии

высокая

нормальная

Цвет

Один и тот же

Полная гамма

Цикл жизни

10-15 лет

Около года

Но солнечные батареи на основе природных красителей дешевле в производстве (не надо дополнительно создавать производство красителей, они уже созданы природой), а генерируемая ими электрическая энергия эффективнее и экономичнее в силу того, что фотоэлементы на основе природных красителей работают в широком диапазоне спектра.

Рисунок 13.Чувствительность пигментов растений в зависимости от длины волны солнечного света при разных процессах жизнедеятельности.

Это расширяет использование природных красителей в фотовольтаикев, особенно в таких сферах применения, как строительство и архитектура, телемедицина, «умная одежда» для мирных целей и силовых структур. 


Комментарии:

Пока комментариев нет. Станьте первым!