Überblick über solare Stromerzeugung
Im Großen und Ganzen ist Solarstromerzeugung, wenn Strom durch die Sonne erzeugt wird, die auf ein bestimmtes Material scheint. Etwas detaillierter werden Halbleitermaterialien in Solarmodulen verwendet. Wenn Sonnenstrahlung auf diese Paneele trifft, werden die Photonen vom Halbleitermaterial absorbiert, wodurch Elektronen in einen energiereicheren Zustand aufsteigen. Das Elektron kann sich entspannen und in seinen ursprünglichen Energiezustand (mit damit verbundenem Wärmeverlust) zurückkehren, oder es kann durch die Solarzelle zu einer Elektrode wandern, wo ein Strom erzeugt wird. Die Wirkungsgrade von Solarzellen beruhen auf mehreren Aspekten, darunter:
- Die Materialien, aus denen sie bestehen, haben geeignete (d.h. niedrige) Bandgaps, was bedeutet, dass weniger Energie benötigt wird, um ein Elektron zu "erregen".
- Ein hocheffizienter Elektronenakzeptor, ein typisches Beispiel ist Titandioxid
- Robuste und produktive lochtransportierende Materialien, die für die Bewegung von Elektronen zur Elektrode und die Trennung und Hemmung der Ladung verantwortlich sind - das ist die Rolle, in der Pyrit typischerweise wirkt
- Abscheidung/Folienherstellung als effizienter Prozess mit möglichst wenigen Defekten
Der am häufigsten verwendete Halbleiter in Solarmodulen ist Silizium, aber hochreines Silizium ist teuer in der Herstellung, insbesondere in dem Maßstab, der für die Herstellung einer Solaranlage erforderlich ist, da die Siliziumschichten relativ dick sein müssen. Pyrit ist ein Material, das in Forschungsversuchen im Bereich der Solarerzeugung aufkeimende Erfolge erzielt hat. Kostengünstig, weit verbreitet und von Natur aus hochrein direkt aus dem Boden wurden interessante halbleiterähnliche Eigenschaften beobachtet.
Pyrit in Solarzellen
Viele der leistungsstärkeren Solarzellenkonstruktionen sind, wenn Pyrit neben anderen Halbleitern verwendet wird. Die Verwendung von Pyrit kann die elektrischen Produktionseigenschaften der Platte verbessern oder die Herstellungskosten senken, oder oft beides. Ungeachtet dessen hat sich Pyrit als eigenständige photoelektrochemische Zelle als wirksam erwiesen. Die erste Forschung wurde 1984 in diesem Gebiet veröffentlicht(3), aber die Pyritsolarzelle hatte nur einen Wirkungsgrad von ca. 2.8%.
Einkristall-Geräte
Die Verwendung von Pyrit allein für die Herstellung einer Solarzelle ist im Umfang begrenzt. Die höchsten Wirkungsgrade, die forscher für einzelne Pyrite gefunden haben, liegen bei 2%(4). Obwohl Pyrit in einen Film abgelagert werden kann, der 1.000 Mal dünner ist als ein Siliziumfilm und dennoch Sonnenlicht absorbiert, hat die Forschung gezeigt, dass auf der Nanoskala kleine Oberflächendefekte bei der Ablagerung des Pyrits auftreten können, wobei einige Schwefelatome "fehlen"(5).
Die Leistungsfähigkeit von Solarzellen aus Pyrit ist Gegenstand laufender Forschung. Studien deuten darauf hin, dass der wichtigste limitierende Faktor "Schwefellücken" sind, bei denen Schwefelatome in der Kristallstruktur der für die Zellherstellung hergestellten Filme fehlen(6). Dies wird als weniger problematisch angesehen, wenn Pyrit nicht allein verwendet wird.
Perowskit-Solarzellen
Eine Perowskit-Solarzelle ist eine Zelle, bei der der primäre Lichtabsorber ein Material mit einer Perowskit-strukturierten Schicht wie Zinnhalogeniden ist. In Perowskit-Solarzellen wurden Pyritplatten als Lochtransportmaterialien verwendet. Pyrit ist besonders geschickt in dieser Funktion, wobei einige Forschungen Leistungsumwandlungswirkungsgrade von 11,2% berichten, wobei Perowskit der intrinsische Halbleiter, Titandioxid der Elektronenakzeptor und Pyrit der Lochtransporter ist (7). Derselbe Bericht behauptete, dass Pyritfolie pro Quadratmeter 300-mal billiger herzustellen ist als andere Lochtransportmaterialien wie Polytriarylaminpolymer. Darüber hinaus erfordern herkömmliche Lochtransportmaterialien eine chemische Doping, um eine ausreichende Leitfähigkeit und optimale Ionenpotentiale(8) zu gewährleisten - für Pyrit ist keine Doping erforderlich.
Die Forschung hat die Langzeitstabilität von Pyrit als lochtransportierendes Material gezeigt, wobei eine Studie eine anfängliche Leistungsumwandlungseffizienz für Pyrit- / Perowskitzellen von 12,8% zeigte, die nach 1.000 Stunden unter Laborbedingungen nur um 8% sank(9). Pyrit-Nanopartikel für diese Zwecke können aus der mikrowellengestützten hydrothermalen Behandlung von Pyrit in hoher Reinheit gewonnen werden(10).
Als Untergruppe von Perowskitzellen verwenden Heterojunction-Zellen häufig Cadmiumverbindungen. Cadmiumsulfid ist ein hochleistungsfähiger Halbleiter und kann als Film neben Pyrit in eine Solarzelle eingebaut werden(11), obwohl sich eine solche Technologie noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet. Pyrit wird in diesem Sinne als solare absorbierende Schicht in der Heterojunction-Zelle verwendet - basierend auf der überlegenen optischen Absorption und den photoreaktionsfähigen Eigenschaften von Pyrit. Unter simuliertem Tageslicht wurden 94 mV Strom bei einer Stromdichte von 0,4 mA/cm2 erzeugt - obwohl niedrige Zahlen, ist das Potenzial von Pyrit als Sonnenabsorber(12) selbst bei Filmen so dünn wie 100 nm klar. Ähnliche Daten wurden für Cadmiumtellurid-Eisenpyrit-Heterojunction-Zellen(13) beobachtet, wiederum mit Eisenpyrit als Lochtransporter.
Es wurden Solarwirkungsgrade von 13,3 % berichtet, wenn Pyrit (als Lochtransportmedium) als dünner Film neben Cadmiumsulfid/Cadmiumtellurid in einer Perowskitzelle(14) abgeschieden wurde, wobei Pyritfilme mit einer Dicke von 1 μm verwendet werden, um Probleme mit der Filmporosität zu vermeiden. Einer der vielen Gründe, warum sich dünne Pyritfilme so gut als Lochtransportmedium verhalten, ist, dass sie eine hohe freie Lochdichte und eine relativ tiefe Arbeitsfunktion um 5 eV haben(15).
Farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSSC)
DSSCs sind eine weitere Klasse von Solarzellen, von denen gezeigt wurde, dass sie von der Einbeziehung von Eisenpyrit in ihre Herstellung profitieren. DSSCs sind Solarzellen, bei denen ein Halbleiter zwischen einer photosensibilisierten Anode und einem Elektrolyten eingebettet ist(16). Solche Dünnschichtzellen sind seit anfang der 1990er Jahre in der Entwicklung. Für die Zwecke dieser Arbeit ist die Identität des "Farbstoffs" weitgehend irrelevant. Einer der Gründe für die hohen Kosten solcher Zellen sind die Platinelektroden, die verwendet werden. Jüngste Forschungen ersetzen Platin durch Pyrit und senken nicht nur die Herstellungskosten, sondern zeigen auch Umwandlungseffizienzen von 7,27% unter einer 100 mW / cm2-Lampe(17). Die hohe Quanteneffizienz(18) von Pyrit und die Langzeitstabilität im korrosiven Iodid-Flüssigelektrolyten eines DSSC(19) werden als wertvolle Faktoren angesehen. Solche Arbeiten bauen auf der Verwendung von hybriden Jod/Kobalt-Redoxzellen mit einem Eisenpyritfilm als Gegenelektrode auf(20).
Eine Unterklasse von DSSC ist, wo der Pyrit in Nanopartikelform vorliegt und mit einer dünnen Kohlenstoffschicht beschichtet wird, bevor er zu einem Film gemacht wird, der als Gegenelektrode zusammen mit einem Redoxelektrolyten, einem Material wie Titandioxid als Primärelektronenakzeptor, fungiert und alle auf einem Substrat wie fluoriertem Zinnoxid montiert sind. Solche Strukturen nutzen Pyrit auf eine andere Weise als die Blattformen, wie sie bei anderen Zelltypen zu sehen sind, d.h. mit Kohlenstoff beschichtet, aber die gemeldeten Effizienzdaten sind so gut, als ob die Gegenelektrode das herkömmliche Platin wäre(21). Einer der Vorteile von DSSCs liegt in ihrer Herstellung auf einer Rolle - einem Verteiler, zu dem Pyritplatten gut passen - was bedeutet, dass die hergestellte Solarzelle unglaublich dünn und flexibel ist.
Du muss angemeldet sein, um einen Kommentar zu veröffentlichen.