Farve-sensibiliseret solcelle absorberer en bred vifte af synlige og infrarøde bølgelængder

Dye-sensibiliserede solceller (DSSC'er) er afhængige af farvestoffer, der absorberer lys for at mobilisere en strøm af elektroner og er en lovende kilde til ren energi. Jishan Wu ved A*STAR Institute of Materials Research and Engineering og kolleger i Singapore har nu udviklet zinkporphyrinfarvestoffer, der høster lys i både de synlige og nær-infrarøde dele af spektret1. Deres forskning tyder på, at kemisk modifikation af disse farvestoffer kan øge energiudbyttet af DSSC'er.

DSSC'er er nemmere og billigere at fremstille end konventionelle siliciumsolceller, men de har i øjeblikket en lavere effektivitet. Ruthenium-baserede farvestoffer er traditionelt blevet brugt i DSSC'er, men i 2011 udviklede forskere et mere effektivt farvestof baseret på et zinkatom omgivet af et ringformet molekyle kaldet et porphyrin. Solceller, der bruger dette nye farvestof, kaldet YD2-o-C8, omdanne synligt lys til elektricitet med en virkningsgrad på op til 12,3 pct. Wus team havde til formål at forbedre denne effektivitet ved at udvikle et zinkporphyrinfarvestof, der også kan absorbere infrarødt lys.

De mest succesrige farvestoffer udviklet af Wus team, WW-5 og WW-6, forene en zinkporphyrinkerne med et system af fusionerede kulstofringe, der er brokoblet af et nitrogenatom, kendt som en N-annuleret perylengruppe. Solceller indeholdende disse farvestoffer absorberede mere infrarødt lys end YD2-o-C8 og havde effektivitet på op til 10,5 pct. matcher ydeevnen af ​​en YD2-o-C8-celle under de samme testbetingelser (se billede).

Teoretiske beregninger indikerer, at forbindelse af porphyrin- og perylen-sektionerne af disse farvestoffer ved hjælp af en kulstof-kulstof tripelbinding, som fungerer som en elektronrig linker, forbedrede strømmen af ​​elektroner mellem dem. Denne binding reducerede også den lysenergi, der var nødvendig for at excitere elektroner i molekylet, øger farvestoffets evne til at høste infrarødt lys.

Tilføjelse af voluminøse kemiske grupper til farvestofferne forbedrede også deres opløselighed og forhindrede dem i at aggregere - noget, der har en tendens til at reducere effektiviteten af ​​DSSC'er.

Imidlertid, både WW-5 og WW-6 er lidt mindre effektive end YD2-o-C8 til at omdanne synligt lys til elektricitet, og de producerer også en lavere spænding. "Vi forsøger nu at løse dette problem gennem modifikationer baseret på den kemiske struktur af WW-5 og WW-6, " siger Wu.

Sammenligning af resultaterne fra flere perylen-porphyrin-farvestoffer skulle indikere måder at overvinde disse forhindringer på, og kan endda udvide lysabsorptionen længere ind i det infrarøde. "Den højeste prioritet er at forbedre effektkonverteringseffektiviteten, " siger Wu. "Vores mål er at skubbe effektiviteten til mere end 13 procent i den nærmeste fremtid."