Forebyggelse af farvestofsammenlægning med smeltede salte for at forbedre solcellernes ydeevne

Solceller er hurtigt ved at blive en af ​​de vigtigste måder at producere ren elektricitet på i mange lande i verden. I løbet af de sidste par årtier er der blevet dedikeret en enorm indsats for at gøre solenergi mere fremtrædende. Imidlertid står teknologien i øjeblikket over for adskillige udfordringer, der begrænser udbredt anvendelse.

I tilfælde af farvefølsomme solceller (DSSC'er) - en meget lovende fotovoltaisk teknologi - er et af hovedproblemerne farvestofaggregation. Ved design er DSSC'er elektrokemiske systemer, der efterligner fotosyntese i planter; de er afhængige af specielle lysfølsomme farvestoffer til at omdanne sollys til elektricitet. Ideelt set bør farvestoffet påføres jævnt over overfladen af ​​en oxidelektrode bag et gennemsigtigt lag, så energi fra absorberet sollys let kan overføres til farvestoffets elektroner. Denne proces genererer frie elektroner, der driver et eksternt kredsløb. Imidlertid har de fleste farvestoffer en tendens til at aggregere over elektrodeoverfladen på en måde, der hindrer den ønskede strøm af både lys og elektriske ladninger. Dette tager en vejafgift på ydeevnen af ​​DSSC'er, som har vist sig at være svær at overkomme.

Heldigvis kan et team af videnskabsmænd ledet af lektor Tomohiko Inomata fra Nagoya Institute of Technology, Japan, lige have fundet en løsning på dette problem. I deres nylige undersøgelse offentliggjort i RSC Advances , viste de, at visse ioniske væsker (smeltede salte, der er i flydende tilstand ved relativt lave temperaturer) kan undertrykke farvestofaggregation i en imponerende grad. Andre medlemmer af dette forskerhold omfattede Ms. Ayaka Matsunaga og Prof. Tomohiro Ozawa fra Nagoya Institute of Technology og Prof. Hideki Masuda fra Aichi Institute of Technology, Japan.

Men hvordan opnår ioniske væsker denne bedrift? For at kaste lys over den nøjagtige mekanisme, der er i spil, fokuserede forskerne på to ioniske væsker med markant forskellige molekylstørrelser og to typer farvestoffer. Begge de ioniske væsker havde en lignende molekylær struktur bestående af et anker, der binder godt til elektroden (titaniumdioxid, TiO₂ ), en hovedpolymerkæde, der forbinder dette anker til et phosphoratom, og tre yderligere korte polymerkæder, der rager ud fra phosphoratomet og væk fra den "lodrette" hovedkæde.

Forskerne nedsænkede TiO₂ elektroder i opløsninger med forskellige farvestof-til-ionisk-væske-forhold og omhyggeligt analyseret, hvordan de forskellige molekyler klæbede til dem. Efter at have optimeret synteseproceduren fandt de ud af, at DSSC'er fremstillet ved hjælp af den ioniske væske med en længere molekylær struktur havde en bemærkelsesværdig bedre ydeevne end deres modstykker med ikke-modificerede oxidelektroder. "Den rumligt omfangsrige molekylære struktur af ioniske væsker fungerer som et effektivt anti-aggregeringsmiddel uden at påvirke mængden af ​​farvestof adsorberet i elektroden væsentligt," forklarer Dr. Inomata. "Vigtigst er det, at introduktionen af ​​den større ioniske væske forbedrer alle de fotovoltaiske parametre i DSSC'erne."

Det er overflødigt at sige, at en forbedring af solcelleteknologien kan give os et forspring i kampen mod den igangværende energi- og klimakrise. Selvom ioniske væsker typisk er dyre, er den måde, de bruges af holdet, faktisk omkostningseffektiv. "Forenklet sagt er ideen kun at påføre ioniske væsker på den nødvendige del af enheden - i dette tilfælde elektrodens overflade," siger Dr. Inomata.

Holdet mener, at den udbredte brug af elektroder modificeret med ioniske væsker kan bane vejen for yderst funktionelle, men alligevel overkommelige materialer til solceller og katalytiske systemer. Da strukturen af ​​ioniske væsker kan justeres under deres syntese, tilbyder de en tiltrængt alsidighed som anti-aggregationsmidler. + Udforsk yderligere

Kemikere foreslår at bruge polymere ioniske væsker i superkondensatorer