Обзор производства солнечной энергии
Вообще говоря, производство солнечной энергии - это когда электричество производится солнцем, сияющим на определенный материал. Чуть подробнее, полупроводниковые материалы используются в солнечных панелях. Когда солнечная радиация попадает на эти панели, фотоны поглощаются полупроводниковым материалом, что заставляет электроны подниматься до состояния с более высокой энергией. Электрон может расслабиться и вернуться в свое первоначальное энергетическое состояние (с соответствующими потерями тепла), или он может путешествовать через солнечный элемент к электроду, где генерируется ток. Эффективность солнечных элементов зависит от нескольких аспектов, которые включают в себя:
- Материалы, содержащие их, имеют подходящие (т.е. низкие) запрещенные зоны, что означает, что для «возбуждения» электрона требуется меньше энергии.
- Высокоэффективный акцептор электронов, типичным примером является диоксид титана
- Прочные и продуктивные дырочные транспортирующие материалы, которые отвечают за движение электронов к электроду и разделение и ингибирование заряда - это роль, в которой пирит обычно действует
- Осаждение/производство пленки является эффективным процессом с как можно меньшей лишь дефектами
Наиболее часто используемым полупроводником в солнечных панелях является кремний, но кремний высокой чистоты дорог в производстве, особенно в масштабе, необходимом для производства солнечной батареи, учитывая, что слои кремния должны быть относительно толстыми. Пирит - это материал, который нашел растущие успехи в исследовательских испытаниях в пространстве солнечной генерации. Недорогие, широко доступные и естественно очень чистые прямо из земли, наблюдались интересные полупроводниковые свойства.
Пирит в солнечных элементах
Многие из более эффективных конструкций солнечных элементов используются вместе с другими полупроводниками. Использование пирита может улучшить электрические производственные свойства панели, или это может снизить стоимость производства, или часто и то, и другое. Несмотря на это, было показано, что пирит эффективен в качестве фотоэлектрохимической ячейки сам по себе. Первое исследование было опубликовано в этом районе в 1984 году (3), но пиритовый солнечный элемент имел эффективность только ca. 2.8%.
Монокристаллические устройства
Использование только пирита для производства солнечного элемента ограничено по объему. Самые высокие уровни эффективности, обнаруженные исследователями для одиночного пирита, составляют 2% (4). Хотя пирит может быть осажден в пленку, которая в 1000 раз тоньше, чем пленка кремния, и все еще поглощает солнечный свет, исследования показали, что в наномасштабе небольшие дефекты поверхности могут возникать при осаждении пирита, в результате чего некоторые атомы серы «отсутствуют» (5).
Производительность солнечных элементов, состоящих из пирита, подлежит постоянным исследованиям. Исследования показывают, что главным ограничивающим фактором являются «серные вакансии», где отсутствуют атомы серы в кристаллической структуре пленок, производимых для производства клеток (6). Это рассматривается как меньшая проблема, когда пирит не используется сам по себе.
Перовскитные солнечные элементы
Перовскитный солнечный элемент представляет собой ячейку, в которой основным поглотителем света является материал со структурированным перовскитом слоем, таким как галогениды олова. В солнечных элементах перовскитного типа пиритовые листы использовались в качестве материалов для транспортировки отверстий. Пирит особенно искусен в этой функции, причем некоторые исследования сообщают об эффективности преобразования энергии 11,2%, где перовскит является внутренним полупроводником, диоксид титана - акцептором электронов, а пирит - переносчиком дырок (7). В том же отчете утверждалось, что на квадратный метр пиритовая пленка в 300 раз дешевле в производстве, чем другие материалы, транспортирующие отверстия, такие как политриариламиновая полимер. Кроме того, обычные материалы для транспортировки отверстий требуют химического дозирования для обеспечения достаточных уровней проводимости и оптимальных ионных потенциалов (8) - для пирита не требуется допинг.
Исследования показали долгосрочную стабильность пирита в качестве материала, транспортирующего отверстие, причем одно исследование показало начальную эффективность преобразования энергии для пиритовых / перовскитных ячеек 12,8%, снизившись всего на 8% после 1000 часов в лабораторных условиях (9). Наночастицы пирита для этих целей могут быть получены из микроволновой гидротермической обработки пирита высокой чистоты (10).
Подмножество перовскитных клеток, гетеропереходные клетки часто используют соединения кадмия. Сульфид кадмия является высокоэффективным полупроводником и может быть встроен в солнечный элемент в виде пленки вместе с пиритом (11), хотя такая технология все еще находится на ранних стадиях развития. Пирит используется в этом смысле в качестве солнечного поглощающего слоя в гетеропереходном элементе, полагаясь на превосходное оптическое поглощение пирита и фоточувствительные свойства. При смоделированном дневном свете 94 мВ электричества было сгенерировано при плотности тока 0,4 мА/см2 - хотя и низкие цифры, ясно о потенциале пирита в качестве солнечного поглотителя (12), даже с пленками толщиной до 100 нм. Аналогичные данные наблюдались для гетеропереходных ячеек цеха теллурида кадмия и железа (13), опять же с железным пиритом в качестве переносчика отверстий.
Сообщалось о солнечной эффективности в 13,3%, когда пирит (в качестве среды переноса отверстий) был осажден в виде тонкой пленки вместе с сульфидом кадмия / теллуридом кадмия в перовскитной ячейке (14), здесь пиритовые пленки используются при толщине 1 мкм, чтобы избежать каких-либо проблем, связанных с пористостью пленки. Одна из многих причин, по которой тонкие пиритовые пленки ведут себя так хорошо, как дыровидная транспортная среда, заключается в том, что они имеют высокую плотность свободного отверстия и относительно глубокую рабочую функцию около 5 эВ (15).
Сенсибилизированные красителем солнечные элементы (DSSC)
DSSC являются еще одним классом солнечных элементов, которые, как было показано, выигрывают от включения пирита железа в их производство. DSSC представляют собой солнечные элементы, где полупроводник зажат между фотосенсибилизированным анодом и электролитом (16). Такие тонкопленочные ячейки разрабатываются с начала 1990-х годов. Для целей этой работы идентичность «красителя» в значительной степени не имеет значения. Одной из причин дороговы таких ячеек являются платиновые электроды, которые используются. Недавние исследования заменяют платину пиритом и не только снижают стоимость производства, но и показывают эффективность преобразования 7,27% при лампе мощностью 100 мВт /см2 (17). Высокая квантовая эффективность пирита (18) и долгосрочная стабильность в коррозионном йодидном жидком электролите DSSC (19) рассматриваются как ценные факторы, способствующие этому. Такая работа основывается на использовании гибридных окислительно-восстановительных клеток йода/кобальта с железопиритовой пленкой в качестве встречного электрода (20).
Подкласс DSSC - это когда пирит находится в форме наночастиц и покрывается тонким слоем углерода перед превращением в пленку, которая действует как встречный электрод вместе с окислительно-восстановительным электролитом, таким материалом, как диоксид титана в качестве первичного акцептора электронов, и все собрано поверх подложки, такой как фторированный оксид олова. Такие структуры используют пирит иначе, чем листовые формы, как это видно в других типах ячеек, т.е. покрытые углеродом, но сообщаемые данные об эффективности так же хороши, как если бы встречный электрод был обычной платиной (21). Одним из преимуществ DSSC является их производство на рулоне - коллекторе, к которому хорошо подходят пиритовые листы - что означает, что производимый солнечный элемент невероятно тонкий и гибкий.
Для отправки комментария необходимо войти на сайт.