خلية شمسية حساسة للصبغة

📅 آخر تحديث: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 5 صور
الموسوعة الحرة

مجموعة مختارة من الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة

الخلية الشمسية الحساسة للصبغة ( DSSC ، أو DSC ، أو DYSC [ 1 ] ، أو خلية غراتزل ) هي خلية شمسية منخفضة التكلفة تنتمي إلى مجموعة الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة . [ 2 ] وهي تعتمد على شبه موصل يتكون بين مصعد حساس للضوء ومحلول إلكتروليتي ، ضمن نظام كهروكيميائي ضوئي . تم اختراع النسخة الحديثة من الخلية الشمسية الصبغية، والمعروفة أيضًا باسم خلية غراتزل، لأول مرة عام 1988 على يد برايان أوريغان ومايكل غراتزل في جامعة كاليفورنيا، بيركلي [ 3 ] ، ثم طور هذا العمل لاحقًا العالمان المذكوران في المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان (EPFL) حتى نشر أول خلية DSSC عالية الكفاءة عام 1991. [ 4 ] وقد مُنح مايكل غراتزل جائزة الألفية للتكنولوجيا لعام 2010 عن هذا الاختراع. [ 5 ]

تتمتع خلايا DSSC بعدد من الميزات الجذابة؛ فهي سهلة التصنيع باستخدام تقنيات الطباعة التقليدية، وشبه مرنة وشبه شفافة، مما يتيح استخدامات متنوعة لا تنطبق على الأنظمة الزجاجية، كما أن معظم المواد المستخدمة فيها منخفضة التكلفة. عمليًا، ثبت صعوبة الاستغناء عن عدد من المواد باهظة الثمن، لا سيما البلاتين والروثينيوم ، ويشكل الإلكتروليت السائل تحديًا كبيرًا أمام تصنيع خلية مناسبة للاستخدام في جميع الأحوال الجوية. على الرغم من أن كفاءة تحويلها أقل من أفضل خلايا الأغشية الرقيقة ، إلا أن نسبة سعرها إلى أدائها ، نظريًا ، يجب أن تكون جيدة بما يكفي لتمكينها من منافسة توليد الكهرباء من الوقود الأحفوري من خلال تحقيق تكافؤ الشبكة . وقد توقعت خارطة طريق الاتحاد الأوروبي للطاقة الكهروضوئية ، التي تأخرت بسبب مشاكل الاستقرار الكيميائي، [ 6 ] أن تُسهم التطبيقات التجارية بشكل كبير في توليد الكهرباء المتجددة بحلول عام 2020.

التكنولوجيا الحالية: الخلايا الشمسية شبه الموصلة

في أشباه الموصلات الصلبة التقليدية ، تُصنع الخلية الشمسية من بلورتين مطعّمتين، إحداهما مطعّمة بشوائب من النوع n ( شبه موصل من النوع n )، والتي تُضيف إلكترونات حرة إضافية إلى نطاق التوصيل ، والأخرى مطعّمة بشوائب من النوع p ( شبه موصل من النوع p )، والتي تُضيف فجوات إلكترونية إضافية . عند وضعهما في تماس، يتدفق بعض الإلكترونات من الجزء من النوع n إلى الجزء من النوع p "لملء" الإلكترونات المفقودة، والمعروفة أيضًا بالفجوات الإلكترونية. في النهاية، يتدفق عدد كافٍ من الإلكترونات عبر الحد الفاصل لمعادلة مستويات فيرمي للمادتين. والنتيجة هي منطقة عند السطح البيني، تُسمى وصلة p-n ، حيث تُستنفد حاملات الشحنة و/أو تتراكم على جانبي السطح البيني. في السيليكون، يُنتج انتقال الإلكترونات هذا حاجز جهد يتراوح بين 0.6 و0.7 إلكترون فولت. [ 7 ]

عند تعرضها لأشعة الشمس، تستطيع الفوتونات المنبعثة منها إثارة الإلكترونات في الجانب الموجب (p) من أشباه الموصلات، وهي عملية تُعرف بالإثارة الضوئية . في السيليكون، يمكن لأشعة الشمس أن توفر طاقة كافية لدفع الإلكترون من نطاق التكافؤ ذي الطاقة المنخفضة إلى نطاق التوصيل ذي الطاقة الأعلى . وكما يوحي الاسم، فإن الإلكترونات في نطاق التوصيل حرة الحركة في السيليكون. عند تطبيق حمل كهربائي على الخلية ككل، تتدفق هذه الإلكترونات من الجانب الموجب (p) إلى الجانب السالب (n)، وتفقد بعض الطاقة أثناء مرورها عبر الدائرة الخارجية، ثم تعود إلى مادة السيليكون الموجب (p) حيث يمكنها أن تتحد مرة أخرى مع الفجوة التي تركتها في نطاق التكافؤ. وبهذه الطريقة، تُولّد أشعة الشمس تيارًا كهربائيًا. [ 7 ]

في أي شبه موصل، تعني فجوة النطاق أن الفوتونات التي تمتلك مقدارًا معينًا من الطاقة، أو أكثر، هي فقط التي تُساهم في توليد التيار. في حالة السيليكون، يمتلك معظم الضوء المرئي، من الأحمر إلى البنفسجي، طاقة كافية لتحقيق ذلك. لسوء الحظ، تمتلك الفوتونات ذات الطاقة الأعلى، تلك الموجودة في طرفي الطيف الأزرق والبنفسجي، طاقةً تفوق طاقة فجوة النطاق؛ ورغم أن جزءًا من هذه الطاقة الزائدة ينتقل إلى الإلكترونات، إلا أن معظمها يُهدر على شكل حرارة. مشكلة أخرى هي أنه لكي يكون هناك احتمال معقول لالتقاط فوتون، يجب أن تكون طبقة النوع n سميكة نسبيًا. وهذا يزيد أيضًا من احتمالية أن يلتقي إلكترون مُنبعث حديثًا بثقب مُتكون مسبقًا في المادة قبل وصوله إلى وصلة p-n. تؤدي هذه التأثيرات إلى حد أقصى لكفاءة الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون، والتي تبلغ حاليًا حوالي 20٪ للوحدات الشائعة وتصل إلى 27.1٪ [ 8 ] لأفضل الخلايا المختبرية (33.16٪ هي الكفاءة القصوى النظرية للخلايا الشمسية ذات فجوة النطاق الواحدة، [ 9 ] انظر حد شوكلي-كويسر ).

تُعدّ التكلفة، بلا شك، أكبر مشكلة تواجه النهج التقليدي؛ إذ تتطلب الخلايا الشمسية طبقة سميكة نسبيًا من السيليكون المُطعّم لتحقيق معدلات معقولة لالتقاط الفوتونات، وتُعتبر معالجة السيليكون مكلفة. وقد ظهرت عدة مناهج مختلفة لخفض هذه التكلفة خلال العقد الماضي، ولا سيما مناهج الأغشية الرقيقة ، إلا أنها لم تُستخدم على نطاق واسع حتى الآن بسبب مجموعة متنوعة من المشاكل العملية. واتجهت أبحاث أخرى نحو تحسين الكفاءة بشكل كبير من خلال منهج الوصلات المتعددة ، على الرغم من أن هذه الخلايا باهظة التكلفة ومناسبة فقط للتطبيقات التجارية واسعة النطاق. وبشكل عام، لم تتغير أنواع الخلايا المناسبة للتركيب على أسطح المنازل بشكل ملحوظ من حيث الكفاءة، على الرغم من انخفاض التكاليف نوعًا ما نتيجة لزيادة العرض.

الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة

نوع الخلية التي صنعها غراتزل وأوريغان في المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان
تشغيل خلية غراتزل

في أواخر الستينيات، اكتُشف أن الأصباغ العضوية المُضاءة قادرة على توليد الكهرباء عند أقطاب الأكسيد في الخلايا الكهروكيميائية. [ 10 ] وفي محاولة لفهم ومحاكاة العمليات الأساسية في عملية التمثيل الضوئي، دُرست هذه الظاهرة في جامعة كاليفورنيا في بيركلي باستخدام الكلوروفيل المستخلص من السبانخ (نهج المحاكاة الحيوية). [ 11 ] وبناءً على هذه التجارب، تم إثبات ومناقشة توليد الطاقة الكهربائية عبر مبدأ الخلية الشمسية الحساسة للصبغة (DSSC) في عام 1972. [ 12 ] وقد حُدد عدم استقرار الخلية الشمسية الصبغية كأحد التحديات الرئيسية. وخلال العقدين التاليين، أمكن تحسين كفاءتها من خلال تحسين مسامية القطب المُحضر من مسحوق أكسيد ناعم، إلا أن عدم الاستقرار ظل يُمثل مشكلة. [ 13 ]

تتكون خلية DSSC الحديثة من النوع n، وهي النوع الأكثر شيوعًا، من طبقة مسامية من جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية ، مغطاة بصبغة جزيئية تمتص ضوء الشمس، مثل الكلوروفيل في الأوراق الخضراء. يُغمر ثاني أكسيد التيتانيوم في محلول إلكتروليتي ، وفوقه يوجد محفز قائم على البلاتين . وكما هو الحال في البطارية القلوية التقليدية ، يوضع مصعد (ثاني أكسيد التيتانيوم) ومهبط (البلاتين) على جانبي موصل سائل (الإلكتروليت).

يمكن تلخيص مبدأ عمل خلايا DSSC من النوع n في بضع خطوات أساسية. يمر ضوء الشمس عبر القطب الكهربائي الشفاف إلى طبقة الصبغة، حيث يُثير الإلكترونات التي تتدفق بدورها إلى نطاق التوصيل لأشباه الموصلات من النوع n ، وعادةً ما تكون ثاني أكسيد التيتانيوم. ثم تتدفق الإلكترونات من ثاني أكسيد التيتانيوم نحو القطب الكهربائي الشفاف حيث تُجمع لتشغيل الحمل الكهربائي. بعد مرورها عبر الدائرة الخارجية، تُعاد الإلكترونات إلى الخلية عبر قطب معدني خلفي، يُعرف أيضًا بالقطب المضاد، وتتدفق إلى الإلكتروليت. ينقل الإلكتروليت الإلكترونات عائدةً إلى جزيئات الصبغة، مُعيدًا بذلك تجديد الصبغة المؤكسدة.

مبدأ العمل الأساسي المذكور أعلاه مشابه في خلية شمسية حساسة للصبغة من النوع p، حيث يكون شبه الموصل الحساس للصبغة من النوع p (عادةً أكسيد النيكل). مع ذلك، فبدلاً من حقن إلكترون في شبه الموصل، في خلية شمسية حساسة للصبغة من النوع p، يتدفق ثقب من الصبغة إلى نطاق التكافؤ لشبه الموصل من النوع p . [ 14 ]

تفصل الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة بين الوظيفتين اللتين يؤديهما السيليكون في تصميم الخلية التقليدية. ففي الوضع الطبيعي، يعمل السيليكون كمصدر للإلكترونات الضوئية، بالإضافة إلى توفير المجال الكهربائي اللازم لفصل الشحنات وتوليد التيار. أما في الخلية الشمسية الحساسة للصبغة، فيُستخدم الجزء الأكبر من أشباه الموصلات لنقل الشحنات فقط، بينما تُستمد الإلكترونات الضوئية من صبغة حساسة للضوء منفصلة . ويحدث فصل الشحنات على الأسطح الفاصلة بين الصبغة وشبه الموصل والإلكتروليت.

جزيئات الصبغة صغيرة جدًا (بحجم النانومتر)، لذا يتطلب امتصاص كمية معقولة من الضوء الساقط طبقة سميكة من جزيئات الصبغة، أكبر بكثير من سمك الجزيئات نفسها. ولحل هذه المشكلة، تُستخدم مادة نانوية كدعامة لحمل أعداد كبيرة من جزيئات الصبغة في مصفوفة ثلاثية الأبعاد، مما يزيد عدد الجزيئات لكل مساحة سطح معينة من الخلية. في التصاميم الحالية، تُوفر هذه الدعامة بواسطة مادة شبه موصلة، تؤدي وظيفة مزدوجة.

مواد القطب المضاد

يُعدّ القطب المضاد أحد أهم مكونات خلايا DSSC. وكما ذُكر سابقًا، فإنّ هذا القطب مسؤول عن جمع الإلكترونات من الدائرة الخارجية وإعادتها إلى الإلكتروليت لتحفيز تفاعل الاختزال ، وتحديدًا اختزال أيونات اليود (I₃⁻ ) إلى أيونات اليوديد (I⁻ ) . لذا، من الضروري أن يتمتع القطب المضاد ليس فقط بموصلية إلكترونية عالية وقدرة انتشار عالية ، بل أيضًا باستقرار كهروكيميائي، ونشاط تحفيزي عالٍ، وبنية نطاق طاقة مناسبة . يُعدّ البلاتين أكثر مواد الأقطاب المضادة شيوعًا في خلايا DSSC، إلا أنه غير مستدام نظرًا لتكلفته العالية وندرة موارده. ولذلك، تركزت العديد من الأبحاث على اكتشاف مواد هجينة ومُطعّمة جديدة قادرة على استبدال البلاتين بأداء تحفيزي كهروكيميائي مماثل أو أفضل. ومن بين هذه المواد، مركبات الكالكوجين من الكوبالت والنيكل والحديد (CCNI)، التي تحظى بدراسة واسعة ، لا سيما تأثير الشكل والتركيب الكيميائي والتآزر على الأداء الناتج . لقد تبيّن أنه بالإضافة إلى التركيب العنصري للمادة، تؤثر هذه المعايير الثلاثة بشكل كبير على كفاءة القطب المضاد الناتج. وبالطبع، هناك العديد من المواد الأخرى قيد البحث حاليًا، مثل الكربون عالي المسامية [ 15 ] ، والمواد القائمة على القصدير [ 16 ] ، والهياكل النانوية الذهبية [ 17 ] ، بالإضافة إلى البلورات النانوية القائمة على الرصاص [ 18 ] . ومع ذلك، يجمع القسم التالي مجموعة متنوعة من الجهود البحثية الجارية المتعلقة تحديدًا بـ CCNI بهدف تحسين أداء القطب المضاد في خلايا DSSC.

علم التشكل

حتى مع ثبات التركيب، تلعب مورفولوجيا الجسيمات النانوية المكونة للقطب المضاد دورًا محوريًا في تحديد كفاءة الخلايا الكهروضوئية ككل. ولأن الجهد الكهروكيميائي للمادة يعتمد بشكل كبير على مساحة السطح المتاحة لتسهيل انتشار واختزال أنواع الأكسدة والاختزال، فقد ركزت جهود بحثية عديدة على فهم وتحسين مورفولوجيا البنى النانوية للأقطاب المضادة في خلايا DSSC.

في عام ٢٠١٧، استخدم هوانغ وزملاؤه مواد فعالة سطحية متنوعة في عملية التخليق الحراري المائي بمساعدة المستحلبات الدقيقة لبلورات مركبة من CoSe₂ / CoSeO₃ لإنتاج مكعبات نانوية، وقضبان نانوية، وجسيمات نانوية . [ ١٩ ] أظهرت مقارنة هذه الأشكال الثلاثة أن الجسيمات النانوية المركبة الهجينة، نظرًا لامتلاكها أكبر مساحة سطح فعالة كهربائيًا، حققت أعلى كفاءة لتحويل الطاقة بلغت ٩.٢٧٪، متجاوزةً بذلك نظيرتها المصنوعة من البلاتين. علاوة على ذلك، أظهرت الجسيمات النانوية أعلى كثافة تيار ذروة وأصغر فرق جهد بين جهدي الذروة الأنودية والكاثودية، مما يدل على أفضل قدرة تحفيزية كهربائية.

في دراسة مماثلة ولكن بنظام مختلف، توصل دو وزملاؤه عام 2017 إلى أن أكسيد النيكل والكوبالت الثلاثي (NiCo₂O₄ ) يتمتع بأعلى كفاءة في تحويل الطاقة وقدرة تحفيزية كهربائية على شكل زهور نانوية مقارنةً بالقضبان النانوية أو الصفائح النانوية. [ 20 ] أدرك دو وزملاؤه أن استكشاف آليات النمو المختلفة التي تُسهم في استغلال مساحات السطح النشطة الأكبر للزهور النانوية قد يفتح آفاقًا لتوسيع تطبيقات خلايا DSSC لتشمل مجالات أخرى.

القياس الكمي

بالطبع، يعد تكوين المادة المستخدمة كقطب مضاد أمرًا بالغ الأهمية لإنشاء خلية ضوئية عاملة ، حيث يجب أن تتداخل نطاقات طاقة التكافؤ والتوصيل مع نطاقات أنواع الإلكتروليت المؤكسد والمختزل للسماح بتبادل الإلكترونات بكفاءة.

في عام 2018، قام جين وزملاؤه بتحضير أغشية من سيلينيد النيكل والكوبالت الثلاثي (NiₓCoᵧSe ) بنسب قياسية مختلفة من النيكل والكوبالت لفهم تأثيرها على أداء الخلية الناتج. [ 21 ] من المعروف أن سبائك النيكل والكوبالت ثنائية المعدن تتميز بتوصيل إلكتروني واستقرار فائقين، لذا فإن تحسين نسبها القياسية من شأنه أن يُنتج، في الوضع الأمثل ، أداءً أكثر كفاءة واستقرارًا للخلية مقارنةً بنظيراتها أحادية المعدن. وقد توصل جين وزملاؤه إلى هذه النتيجة ، حيث حققت سبيكة Ni₀.₁₂Co₀.₈₀Se كفاءة تحويل طاقة فائقة (8.61%)، ومقاومة نقل شحنة أقل، وقدرة تحفيز كهربائي أعلى من نظيراتها من البلاتين والسيلينيد الثنائي.

التآزر

يُعدّ التآزر بين المواد المختلفة في تعزيز الأداء الكهروكيميائي الفائق مجالًا آخر حظي بدراسة مكثفة. فسواءً كان ذلك من خلال مواد نقل الشحنات المختلفة، أو الأنواع الكهروكيميائية، أو الأشكال المورفولوجية، فقد مهّد استغلال العلاقة التآزرية بين المواد المختلفة الطريق أمام مواد جديدة للأقطاب المضادة.

في عام 2016، قام لو وزملاؤه بمزج جزيئات دقيقة من كبريتيد النيكل والكوبالت مع رقائق نانوية من أكسيد الجرافين المختزل (rGO) لتكوين القطب المضاد. [ 22 ] اكتشف لو وزملاؤه أن أكسيد الجرافين المختزل لم يعمل فقط كمحفز مساعد في تسريع اختزال ثلاثي اليوديد، بل اكتشفوا أيضًا وجود تفاعل تآزري بين الجزيئات الدقيقة وأكسيد الجرافين المختزل، مما أدى إلى تقليل مقاومة نقل الشحنة للنظام ككل. على الرغم من أن كفاءة هذا النظام كانت أقل قليلاً من نظيره البلاتيني (كفاءة نظام NCS/rGO: 8.96%؛ كفاءة نظام البلاتين: 9.11%)، إلا أنه وفر أساسًا لإجراء المزيد من الأبحاث.

بناء

في تصميم غراتزل وأوريغان الأصلي ، تتكون الخلية من ثلاثة أجزاء رئيسية. في الأعلى، يوجد مصعد شفاف مصنوع من ثاني أكسيد القصدير المُطعّم بالفلورايد (SnO₂ : F) مُرسب على ظهر صفيحة (زجاجية عادةً). على ظهر هذه الصفيحة الموصلة، توجد طبقة رقيقة من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂ ) ، والتي تُشكّل بنية مسامية للغاية ذات مساحة سطحية هائلة. يرتبط TiO₂ كيميائيًا بعملية تُسمى التلبيد . يمتص TiO₂ جزءًا صغيرًا فقط من فوتونات الشمس (تلك الموجودة في نطاق الأشعة فوق البنفسجية). [ 23 ] بعد ذلك، تُغمر الصفيحة في خليط من صبغة الروثينيوم - بولي بيريديل الحساسة للضوء (تُسمى أيضًا المُحسّسات الجزيئية [ 23 ] ) ومذيب . بعد نقع الغشاء في محلول الصبغة، تبقى طبقة رقيقة من الصبغة مرتبطة تساهميًا بسطح TiO₂ . الرابطة إما أن تكون رابطة إسترية، أو رابطة مخلبية، أو رابطة جسرية ثنائية السن.

A separate plate is then made with a thin layer of the iodide electrolyte spread over a conductive sheet, typically platinum metal. The two plates are then joined and sealed together to prevent the electrolyte from leaking. The construction is simple enough that there are hobby kits available to hand-construct them.[24] Although they use a number of "advanced" materials, these are inexpensive compared to the silicon needed for normal cells because they require no expensive manufacturing steps. TiO2, for instance, is already widely used as a paint base.

One of the efficient DSSCs devices uses ruthenium-based molecular dye, e.g. [Ru(4,4'-dicarboxy-2,2'-bipyridine)2(NCS)2] (N3), that is bound to a photoanode via carboxylate moieties. The photoanode consists of 12 μm thick film of transparent 10–20 nm diameter TiO2 nanoparticles covered with a 4 μm thick film of much larger (400 nm diameter) particles that scatter photons back into the transparent film. The excited dye rapidly injects an electron into the TiO2 after light absorption. The injected electron diffuses through the sintered particle network to be collected at the front side transparent conducting oxide (TCO) electrode, while the dye is regenerated via reduction by a redox shuttle, I3−/I−, dissolved in a solution. Diffusion of the oxidized form of the shuttle to the counter electrode completes the circuit.[25]

Mechanism of DSSCs

The following steps convert in a conventional n-type DSSC photons (light) to current:

  1. The incident photon is absorbed by the photosensitizer (eg. Ru complex) adsorbed on the TiO2 surface.
  2. The photosensitizers are excited from the ground state (S) to the excited state (S∗). The excited electrons are injected into the conduction band of the TiO2 electrode. This results in the oxidation of the photosensitizer (S+).
  3. The injected electrons in the conduction band of TiO2 are transported between TiO2 nanoparticles with diffusion toward the back contact (TCO). And the electrons finally reach the counter electrode through the circuit.
  4. يستقبل المحسس الضوئي المؤكسد (S + ) الإلكترونات من وسيط الأكسدة والاختزال، وعادة ما يكون وسيط الأكسدة والاختزال I − ، مما يؤدي إلى تجديد الحالة الأرضية (S) ، ويتم أكسدة اثنين من أيونات I − إلى اليود الأولي الذي يتفاعل مع I − إلى الحالة المؤكسدة، I 3 − .
  5. ينتشر وسيط الأكسدة والاختزال المؤكسد، I 3 − ، باتجاه القطب المضاد ثم يتم اختزاله إلى أيونات I − .

تعتمد كفاءة خلية DSSC على أربعة مستويات طاقة للمكون: الحالة المثارة (تقريبًا LUMO ) والحالة الأرضية (HOMO) للمحسس الضوئي، ومستوى فيرمي لقطب TiO2، وجهد الأكسدة والاختزال للوسيط (I− / I3− ) في الإلكتروليت. [ 26 ]

مورفولوجيا تشبه النباتات النانوية

في خلايا DSSC، تتكون الأقطاب الكهربائية من جسيمات نانوية شبه موصلة مُلبدة، غالباً من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂ ) أو أكسيد الزنك (ZnO). تعتمد هذه الخلايا النانوية على الانتشار المحدود بالفخاخ عبر الجسيمات النانوية لنقل الإلكترونات، مما يحد من كفاءة الجهاز نظراً لبطء آلية النقل. كما يزداد احتمال إعادة التركيب عند أطوال موجية أطول للإشعاع. علاوة على ذلك، يتطلب تلبيد الجسيمات النانوية درجة حرارة عالية تصل إلى 450  درجة مئوية، مما يقيد تصنيع هذه الخلايا على ركائز صلبة متينة. وقد ثبت أن استبدال قطب الجسيمات النانوية المُلبدة بقطب كهربائي مصمم خصيصاً يتميز ببنية فريدة تشبه النبات النانوي يزيد من كفاءة خلايا DSSC. [ 27 ]

عملية

في خلية شمسية حساسة للصبغة من النوع n التقليدية، يدخل ضوء الشمس إلى الخلية عبر الموصل العلوي الشفاف المصنوع من أكسيد القصدير المطعّم بالفلور (SnO₂ : F)، ليصطدم بالصبغة الموجودة على سطح ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂ ) . تُحدث الفوتونات التي تصطدم بالصبغة بطاقة كافية لامتصاصها حالة إثارة فيها، ومن ثم يمكن "حقن" إلكترون مباشرةً في نطاق التوصيل لثاني أكسيد التيتانيوم . ومن هناك، ينتقل الإلكترون بالانتشار (نتيجة لتدرج تركيز الإلكترونات) إلى المصعد الشفاف الموجود في الأعلى.

في هذه الأثناء، يفقد جزيء الصبغة إلكترونًا، وسيتحلل إذا لم يُزوَّد بإلكترون آخر. تنزع الصبغة إلكترونًا من أيون اليوديد في المحلول الإلكتروليتي أسفل ثاني أكسيد التيتانيوم ، مؤكسدةً إياه إلى ثلاثي اليوديد . يحدث هذا التفاعل بسرعة كبيرة مقارنةً بالوقت اللازم لإعادة اتحاد الإلكترون المُضاف مع جزيء الصبغة المؤكسد، مما يمنع تفاعل إعادة الاتحاد هذا الذي قد يُسبب قصرًا في الدائرة الكهربائية للخلية الشمسية.

ثم يستعيد ثلاثي اليوديد إلكترونه المفقود عن طريق الانتشار الميكانيكي إلى أسفل الخلية، حيث يعيد القطب المضاد إدخال الإلكترونات بعد تدفقها عبر الدائرة الخارجية.

كفاءة

تُستخدم عدة مقاييس مهمة لتوصيف الخلايا الشمسية. وأبرزها كمية الطاقة الكهربائية الإجمالية المُنتجة لكمية مُحددة من الطاقة الشمسية الساقطة على الخلية. ويُعرف هذا، مُعبرًا عنه كنسبة مئوية، بكفاءة التحويل الشمسي . الطاقة الكهربائية هي حاصل ضرب التيار والجهد، لذا فإن القيم القصوى لهذين القياسين مهمة أيضًا، وهما Jsc و Voc على التوالي. وأخيرًا، لفهم الفيزياء الأساسية، تُستخدم "الكفاءة الكمية" لمقارنة احتمالية أن يُنتج فوتون واحد (ذو طاقة مُحددة) إلكترونًا واحدًا.

من حيث الكفاءة الكمية ، تتميز خلايا DSSC بكفاءة عالية للغاية. فبفضل عمقها في البنية النانوية، تزداد احتمالية امتصاص الفوتونات، وتُعدّ الأصباغ فعّالة جدًا في تحويلها إلى إلكترونات. وتُعزى معظم الخسائر الطفيفة الموجودة في خلايا DSSC إلى خسائر التوصيل في طبقة ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) والقطب الكهربائي الشفاف، أو الخسائر الضوئية في القطب الأمامي. تبلغ الكفاءة الكمية الإجمالية للضوء الأخضر حوالي 90%، حيث تُعزى نسبة الـ 10% المتبقية إلى حد كبير إلى الخسائر الضوئية في القطب العلوي. وتختلف الكفاءة الكمية للتصاميم التقليدية تبعًا لسمكها، ولكنها تُقارب كفاءة خلايا DSSC.

نظريًا، يُمثل أقصى جهد مُوَلَّد بواسطة هذه الخلية الفرق بين مستوى فيرمي ( شبه السالب) لثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂ ) وجهد الأكسدة والاختزال للإلكتروليت، والذي يبلغ حوالي 0.7 فولت في ظروف الإضاءة الشمسية (V<sub> oc</sub> ). أي، إذا تم توصيل خلية شمسية حساسة للصبغة (DSSC) مضاءة بجهاز قياس الجهد في حالة "دائرة مفتوحة"، فسيقرأ حوالي 0.7 فولت. من حيث الجهد، تُوفر خلايا DSSC جهد V <sub>oc</sub> أعلى قليلًا من السيليكون، حوالي 0.7 فولت مقارنةً بـ 0.6 فولت. هذا فرق ضئيل نسبيًا، لذا فإن الاختلافات العملية تُهيمن عليها كثافة التيار المُنتَج (J<sub> sc</sub> ).    

Although the dye is highly efficient at converting absorbed photons into free electrons in the TiO2, only photons absorbed by the dye ultimately produce current. The rate of photon absorption depends upon the absorption spectrum of the sensitized TiO2 layer and upon the solar flux spectrum. The overlap between these two spectra determines the maximum possible photocurrent. Typically used dye molecules generally have poorer absorption in the red part of the spectrum compared to silicon, which means that fewer of the photons in sunlight are usable for current generation. These factors limit the current generated by a DSSC, for comparison, a traditional silicon-based solar cell offers about 35 mA/cm2, whereas current DSSCs offer about 20 mA/cm2.

Overall peak power conversion efficiency for current DSSCs is about 11%.[28][29] Current record for prototypes lies at 15%.[30][31]

Degradation

DSSCs degrade when exposed to light. In 2014 air infiltration of the commonly used amorphous Spiro-MeOTAD hole-transport layer was identified as the primary cause of the degradation, rather than oxidation. The damage could be avoided by the addition of an appropriate barrier.[32]

The barrier layer may include UV stabilizers and/or UV absorbing luminescentchromophores (which emit at longer wavelengths which may be reabsorbed by the dye) and antioxidants to protect and improve the efficiency of the cell.[33]

Advantages

DSSCs are currently the most efficient third-generation[34] (2005 Basic Research Solar Energy Utilization 16) solar technology available. Other thin-film technologies are typically between 5% and 13%, and traditional low-cost commercial silicon panels operate between 14% and 17%. This makes DSSCs attractive as a replacement for existing technologies in "low density" applications like rooftop solar collectors, where the mechanical robustness and light weight of the glass-less collector is a major advantage. They may not be as attractive for large-scale deployments where higher-cost higher-efficiency cells are more viable, but even small increases in the DSSC conversion efficiency might make them suitable for some of these roles as well.

هناك جانب آخر يجعل خلايا DSSC جذابة للغاية. فعملية حقن الإلكترون مباشرةً في ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂ ) تختلف نوعيًا عن تلك التي تحدث في الخلية التقليدية، حيث يُنقل الإلكترون داخل البلورة الأصلية. نظريًا، ومع انخفاض معدلات الإنتاج، قد يتحد الإلكترون عالي الطاقة في السيليكون مع ثقبه، مُطلقًا فوتونًا (أو شكلًا آخر من الطاقة) لا يُنتج تيارًا كهربائيًا. ورغم أن هذه الحالة تحديدًا قد لا تكون شائعة، إلا أنه من السهل نسبيًا أن يتحد إلكترون مُولّد من ذرة أخرى مع ثقب متبقٍ من عملية إثارة ضوئية سابقة.

بالمقارنة، لا تُحدث عملية الحقن المستخدمة في خلايا DSSC ثقبًا في ثاني أكسيد التيتانيوم ، بل إلكترونًا إضافيًا فقط. ورغم إمكانية إعادة اتحاد الإلكترون مع الصبغة من الناحية الطاقية، إلا أن معدل حدوث ذلك بطيء جدًا مقارنةً بمعدل استعادة الصبغة للإلكترون من الإلكتروليت المحيط. كما يُمكن إعادة الاتحاد مباشرةً من ثاني أكسيد التيتانيوم إلى مكونات الإلكتروليت، إلا أن هذا التفاعل بطيء نسبيًا في الأجهزة المُحسّنة. [ 35 ] في المقابل، يكون انتقال الإلكترون من القطب المطلي بالبلاتين إلى مكونات الإلكتروليت سريعًا للغاية بالضرورة.

نتيجةً لهذه "الحركية التفاضلية" المواتية، تعمل خلايا DSSC حتى في ظروف الإضاءة المنخفضة. ولذلك، فهي قادرة على العمل تحت سماء ملبدة بالغيوم وفي ضوء الشمس غير المباشر، بينما تعاني التصاميم التقليدية من "توقف" عند حد أدنى معين للإضاءة، عندما تكون حركة حاملات الشحنة منخفضة ويصبح إعادة التركيب مشكلة رئيسية. ويُعدّ هذا التوقف منخفضًا جدًا لدرجة أنه يُقترح استخدامها حتى في الأماكن المغلقة، لتجميع الطاقة للأجهزة الصغيرة من مصابيح المنزل. [ 36 ]

تتمثل إحدى المزايا العملية التي تشترك فيها خلايا DSSC مع معظم تقنيات الأغشية الرقيقة في أن متانة الخلية الميكانيكية تؤدي بشكل غير مباشر إلى كفاءة أعلى عند درجات حرارة مرتفعة. ففي أي شبه موصل، تؤدي زيادة درجة الحرارة إلى انتقال بعض الإلكترونات إلى نطاق التوصيل "ميكانيكيًا". ونظرًا لهشاشة خلايا السيليكون التقليدية، يلزم حمايتها من العوامل الجوية، عادةً بتغليفها في صندوق زجاجي يشبه الدفيئة ، مع دعامة معدنية لزيادة المتانة. وتعاني هذه الأنظمة من انخفاض ملحوظ في الكفاءة مع ارتفاع درجة حرارة الخلايا داخليًا. أما خلايا DSSC، فتُصنع عادةً بطبقة رقيقة فقط من البلاستيك الموصل على الطبقة الأمامية، مما يسمح لها بتبديد الحرارة بسهولة أكبر، وبالتالي تعمل عند درجات حرارة داخلية أقل.

العيوب

تتمثل أبرز عيوب تصميم خلايا الطاقة الشمسية الحساسة للصبغة (DSSC) في استخدام الإلكتروليت السائل، الذي يعاني من مشاكل في استقرار درجة الحرارة. ففي درجات الحرارة المنخفضة، قد يتجمد الإلكتروليت، مما يؤدي إلى توقف إنتاج الطاقة وربما تلف مادي. أما في درجات الحرارة المرتفعة، فيتمدد السائل، مما يجعل إحكام إغلاق الألواح مشكلة خطيرة. ومن العيوب الأخرى، الحاجة إلى الروثينيوم (صبغة)، والبلاتين (محفز)، والزجاج أو البلاستيك الموصل (موصل) لإنتاج هذه الخلايا، وهي مواد باهظة الثمن. كما أن من أبرز عيوبها احتواء محلول الإلكتروليت على مركبات عضوية متطايرة (VOCs) ، وهي مذيبات يجب إحكام إغلاقها بعناية لأنها تشكل خطراً على صحة الإنسان والبيئة. هذا، بالإضافة إلى قدرة المذيبات على التغلغل في البلاستيك، حال دون استخدامها على نطاق واسع في الهواء الطلق ودمجها في هياكل مرنة. [ 37 ]

يُعد استبدال الإلكتروليت السائل بمادة صلبة مجالًا بحثيًا رئيسيًا ومستمرًا. وقد أظهرت التجارب الحديثة التي استخدمت أملاحًا منصهرة متصلبة بعض النتائج الواعدة، ولكنها تعاني حاليًا من تدهور أكبر أثناء التشغيل المستمر، كما أنها غير مرنة. [ 38 ]

الكاثودات الضوئية والخلايا الترادفية

تعمل الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة كقطب ضوئي موجب (n-DSC)، حيث ينتج التيار الضوئي عن حقن الإلكترونات بواسطة الصبغة الحساسة. أما الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة من النوع p (p-DSC) فتعمل بطريقة معاكسة للخلايا التقليدية من النوع n-DSC، حيث يتبع إثارة الصبغة انتقال سريع للإلكترونات من شبه موصل من النوع p إلى الصبغة (حقن الثقوب الحساسة للصبغة، بدلاً من حقن الإلكترونات). يمكن دمج خلايا p-DSC و n-DSC لتكوين خلايا شمسية ترادفية (pn-DSC)، وتتجاوز الكفاءة النظرية للخلايا الشمسية الترادفية كفاءة الخلايا الشمسية أحادية الوصلة بكثير.

تتكون الخلية الترادفية القياسية من خلية ضوئية حساسة للصبغة من النوع n (n-DSC) وأخرى من النوع p (p-DSC) في تكوين بسيط يشبه الساندويتش، مع طبقة إلكتروليت وسيطة. يتم توصيل الخليتين n-DSC و p-DSC على التوالي، مما يعني أن التيار الضوئي الناتج يُتحكم فيه بواسطة القطب الضوئي الأضعف، بينما تتجمع الفولتية الضوئية. لذا، يُعدّ توافق التيار الضوئي بالغ الأهمية لبناء خلايا pn-DSC الترادفية عالية الكفاءة. مع ذلك، وعلى عكس خلايا n-DSC، فإن إعادة تركيب الشحنات السريعة التي تعقب حقن الثقوب الحساسة للصبغة عادةً ما تؤدي إلى انخفاض التيار الضوئي في خلايا p-DSC، وبالتالي تُعيق كفاءة الجهاز ككل.

وجد الباحثون أن استخدام أصباغ تتكون من بيريلين مونوإيميد (PMI) كمستقبل وأوليغوثيوفين مرتبط بثلاثي فينيل أمين كمانح، يُحسّن بشكل كبير أداء خلايا الطاقة الشمسية الحساسة للصبغة من النوع p (p-DSC) عن طريق تقليل معدل إعادة تركيب الشحنات بعد حقن الثقوب الحساسة للصبغة. وقد صمم الباحثون جهازًا ترادفيًا لخلايا الطاقة الشمسية الحساسة للصبغة، حيث استُخدم أكسيد النيكل (NiO) في جانب p-DSC وثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂ ) في جانب n-DSC. وتم تحقيق تطابق التيار الضوئي من خلال ضبط سُمك طبقتي NiO وTiO₂ للتحكم في الامتصاص الضوئي، وبالتالي مطابقة التيارات الضوئية لكلا القطبين. بلغت كفاءة تحويل الطاقة للجهاز 1.91%، وهي أعلى من كفاءة مكوناته الفردية، ولكنها لا تزال أقل بكثير من كفاءة أجهزة n-DSC عالية الأداء (6%–11%). ومع ذلك، تُعد هذه النتائج واعدة نظرًا لأن جهاز خلايا الطاقة الشمسية الحساسة للصبغة الترادفية كان بدائيًا في حد ذاته. ويمكن أن يؤدي التحسن الكبير في أداء p-DSC في نهاية المطاف إلى أجهزة ترادفية ذات كفاءة أعلى بكثير من أجهزة n-DSC المنفردة. [ 39 ]

كما ذُكر سابقًا، يتميز استخدام الإلكتروليت الصلب بعدة مزايا مقارنةً بالنظام السائل (مثل انعدام التسريب وسرعة نقل الشحنات)، وهو ما تحقق أيضًا في الكاثودات الضوئية الحساسة للأصباغ. وباستخدام مواد ناقلة للإلكترونات مثل PCBM [ 40 ] و TiO₂ [ 41 ] [ 42 ] وZnO [ 43 ] بدلًا من الإلكتروليت السائل التقليدي المكون من أزواج الأكسدة والاختزال، تمكن الباحثون من تصنيع خلايا شمسية صلبة حساسة للأصباغ من النوع p (p-ssDSCs)، بهدف الوصول إلى خلايا شمسية صلبة ترادفية حساسة للأصباغ، والتي تتمتع بإمكانية تحقيق جهد ضوئي أعلى بكثير من الجهاز الترادفي السائل. [ 44 ]

تطوير

"صبغة سوداء"، مركب أنيوني من الروثينيوم-تيربيريدين

كانت الأصباغ المستخدمة في الخلايا التجريبية المبكرة (حوالي عام 1995) حساسة فقط في نطاق الترددات العالية من الطيف الشمسي، أي في نطاقي الأشعة فوق البنفسجية والأزرق. وسرعان ما طُرحت نسخ أحدث (حوالي عام 1999) ذات استجابة ترددية أوسع بكثير، ولا سيما "ثلاثي كربوكسي روثينيوم تيربيريدين" [Ru(4,4',4"-(COOH) 3- terpy)(NCS) 3 ]، الذي يتميز بكفاءة عالية حتى في نطاق الترددات المنخفضة للضوء الأحمر والأشعة تحت الحمراء . ينتج عن الاستجابة الطيفية الواسعة لون بني داكن مائل للسواد للصبغة، ويُشار إليها ببساطة باسم "الصبغة السوداء". [ 45 ] تتمتع هذه الأصباغ بقدرة ممتازة على تحويل الفوتون إلى إلكترون، حيث كانت النسبة في الأصل حوالي 80%، ولكنها تحسنت لتصل إلى تحويل شبه كامل في الأصباغ الأحدث، وتبلغ الكفاءة الإجمالية حوالي 90%، مع العلم أن نسبة الـ 10% "المفقودة" تُعزى إلى حد كبير إلى الفقد الضوئي في القطب العلوي.

يجب أن تكون الخلية الشمسية قادرة على إنتاج الكهرباء لمدة لا تقل عن عشرين عامًا، دون انخفاض ملحوظ في كفاءتها ( عمرها الافتراضي ). خضع نظام "الصبغة السوداء" لخمسين مليون دورة، أي ما يعادل عشر سنوات من التعرض لأشعة الشمس في سويسرا. لم يُلاحظ أي انخفاض ملحوظ في الأداء. مع ذلك، فإن الصبغة عرضة للتلف في ظروف الإضاءة العالية. على مدى العقد الماضي، نُفذ برنامج بحثي مكثف لمعالجة هذه المخاوف. شملت الأصباغ الأحدث 1-إيثيل-3-ميثيل إيميدازوليوم تيتروسيانوبورات [EMIB(CN) ₄ ]، وهو شديد الثبات في الضوء ودرجة الحرارة، ونحاس ثنائي السيلينيوم [Cu(In,GA)Se₂ ] الذي يوفر كفاءات تحويل أعلى، وغيرها من الأصباغ ذات خصائص خاصة متنوعة.

لا تزال خلايا الطاقة الشمسية الحساسة للصبغة في بداية دورة تطويرها. من الممكن تحقيق مكاسب في الكفاءة، وقد بدأت مؤخرًا دراسات أكثر انتشارًا. تشمل هذه المكاسب استخدام النقاط الكمومية لتحويل الضوء ذي الطاقة العالية (التردد العالي) إلى إلكترونات متعددة، واستخدام إلكتروليتات صلبة لتحسين الاستجابة لدرجة الحرارة، وتغيير نسبة التشويب في ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂ ) لمواءمته بشكل أفضل مع الإلكتروليت المستخدم.

تطورات جديدة

2003

أفادت تقارير بأن مجموعة من الباحثين في المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان (EPFL) قد حسّنوا من استقرار الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة (DSC) حرارياً باستخدام مُحسِّس الروثينيوم ذي الخاصية الأمفيبية مع إلكتروليت هلامي شبه صلب. ويُضاهي استقرار الجهاز استقرار الخلايا الشمسية التقليدية غير العضوية المصنوعة من السيليكون. وقد صمدت الخلية أمام التسخين لمدة 1000 ساعة عند درجة حرارة 80  درجة مئوية.

سبق للمجموعة أن حضّرت صبغةً أمفيبيةً من الروثينيوم Z-907 (cis-Ru(H₂dcbpy ) (dnbpy)(NCS) ₂ ، حيث يمثل الرابط H₂dcbpy حمض 4،4′-ثنائي الكربوكسيل-2،2′-ثنائي البيريدين، ويمثل dnbpy حمض 4،4′-ثنائي نونيل-2،2′-ثنائي البيريدين) لزيادة مقاومة الصبغة للماء في الإلكتروليتات. إضافةً إلى ذلك، حضّرت المجموعة أيضًا إلكتروليتًا هلاميًا شبه صلب باستخدام إلكتروليت سائل قائم على 3-ميثوكسي بروبيونيتريل (MPN) تم تجميده بواسطة بوليمر فلوري مستقر ضوئيًا، وهو بولي فينيليدين فلورايد-كو-هيكسا فلورو بروبيلين (PVDF-HFP).

حقق استخدام صبغة Z-907 الأمفيبية مع إلكتروليت هلام البوليمر في خلية شمسية حساسة للصبغة كفاءة تحويل طاقة بلغت 6.1%. والأهم من ذلك، أن الجهاز كان مستقرًا تحت الإجهاد الحراري والتعرض للضوء. وقد حافظت الخلية على كفاءة تحويل عالية بعد تسخينها لمدة 1000 ساعة عند 80  درجة مئوية، حيث احتفظت بنسبة 94% من قيمتها الأولية. بعد اختبار معجل في جهاز محاكاة شمسي لمدة 1000 ساعة من التعرض للضوء عند 55  درجة مئوية (100  ميلي واط/سم² ) ، انخفضت الكفاءة بنسبة أقل من 5% للخلايا المغطاة بغشاء بوليمر ماص للأشعة فوق البنفسجية. وتُعد هذه النتائج ضمن الحدود المسموح بها للخلايا الشمسية التقليدية المصنوعة من السيليكون غير العضوي.

قد يعود الأداء المحسّن إلى انخفاض نفاذية المذيب عبر المادة المانعة للتسرب نتيجة استخدام إلكتروليت هلام البوليمر. يكون إلكتروليت هلام البوليمر شبه صلب في درجة حرارة الغرفة، ويتحول إلى سائل لزج (لزوجة: 4.34 ملي باسكال.ثانية) عند 80  درجة مئوية، مقارنةً بالإلكتروليت السائل التقليدي (لزوجة: 0.91 ملي باسكال.ثانية). لم يسبق أن شُوهدت استقرارية الجهاز المحسّنة بشكل كبير تحت كلٍ من الإجهاد الحراري والتعرض للضوء في خلايا الصبغة الشمسية، وهي تتوافق مع معايير المتانة المطبقة على الخلايا الشمسية للاستخدام الخارجي، مما يجعل هذه الأجهزة قابلة للتطبيق العملي. [ 46 ] [ 47 ]

2006

تم الإبلاغ عن أولى الخلايا الشمسية الهجينة الصلبة الحساسة للصبغة بنجاح. [ 38 ]

لتحسين نقل الإلكترونات في هذه الخلايا الشمسية، مع الحفاظ على مساحة السطح الكبيرة اللازمة لامتصاص الصبغة، صمّم باحثان أشكالًا بديلة لأشباه الموصلات، مثل مصفوفات من الأسلاك النانوية ومزيج من الأسلاك النانوية والجسيمات النانوية ، لتوفير مسار مباشر إلى القطب الكهربائي عبر نطاق التوصيل لأشباه الموصلات. قد توفر هذه الهياكل وسيلة لتحسين الكفاءة الكمية لخلايا DSSC في المنطقة الحمراء من الطيف، حيث يكون أداؤها محدودًا حاليًا. [ 48 ]

في أغسطس 2006، ولإثبات المتانة الكيميائية والحرارية للخلايا الشمسية المصنوعة من رباعي سيانوبورات 1-إيثيل-3-ميثيل إيميدازوليوم، عرّض الباحثون الأجهزة للتسخين عند 80  درجة مئوية في الظلام لمدة 1000 ساعة، ثم للتعرض للضوء عند 60  درجة مئوية لمدة 1000 ساعة أخرى. بعد التسخين في الظلام والتعرض للضوء، حافظت الخلايا على 90% من كفاءتها الكهروضوئية الأولية، وهي المرة الأولى التي تُلاحظ فيها مثل هذه الثبات الحراري الممتاز لإلكتروليت سائل يُظهر كفاءة تحويل عالية كهذه. على عكس الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون ، التي ينخفض ​​أداؤها مع ارتفاع درجة الحرارة، لم تتأثر الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة إلا بشكل طفيف عند رفع درجة حرارة التشغيل من درجة حرارة الغرفة إلى 60  درجة مئوية.

2007

أجرى واين كامبل، من جامعة ماسي في نيوزيلندا، تجارب على مجموعة واسعة من الأصباغ العضوية القائمة على البورفيرين . [ 49 ] يُعد البورفيرين في الطبيعة الوحدة البنائية الأساسية للبروتينات الهيمية ، والتي تشمل الكلوروفيل في النباتات والهيموجلوبين في الحيوانات. وقد أفاد كامبل بأن كفاءة هذه الأصباغ منخفضة التكلفة بلغت حوالي 5.6%. [ 50 ]

2008

أظهرت دراسة نُشرت في مجلة Nature Materials كفاءةً للخلايا بلغت 8.2% باستخدام إلكتروليت أكسدة-اختزال سائل جديد خالٍ من المذيبات، يتكون من مزيج من ثلاثة أملاح، كبديل لاستخدام المذيبات العضوية كمحلول إلكتروليتي. ورغم أن الكفاءة مع هذا الإلكتروليت أقل من نسبة 11% التي تُحقق باستخدام المحاليل القائمة على اليود، إلا أن الفريق واثق من إمكانية تحسينها. [ 51 ]

2009

ابتكر فريق من الباحثين في معهد جورجيا للتكنولوجيا خلايا شمسية حساسة للصبغة ذات مساحة سطح فعالة أكبر، وذلك بتغليفها حول ألياف بصرية من الكوارتز . [ 52 ] [ 53 ] أزال الباحثون الغلاف الخارجي للألياف البصرية، ثم قاموا بتنمية أسلاك نانوية من أكسيد الزنك على طول سطحها، وعالجوها بجزيئات الصبغة، وأحاطوا الألياف بمحلول إلكتروليتي وطبقة معدنية تنقل الإلكترونات من الألياف. وتُعد هذه الخلايا أكثر كفاءة بست مرات من خلية أكسيد الزنك ذات مساحة السطح نفسها. [ 52 ] ترتد الفوتونات داخل الألياف أثناء انتقالها، مما يزيد من فرص تفاعلها مع الخلية الشمسية وإنتاج تيار أكبر. تجمع هذه الأجهزة الضوء عند أطراف الألياف فقط، ولكن يمكن في المستقبل تصميم خلايا ألياف قادرة على امتصاص الضوء على طول الألياف بالكامل، الأمر الذي يتطلب طلاءً موصلاً وشفافاً في آن واحد . [ 52 ] صرّح ماكس شتاين من جامعة ميشيغان بأن نظام تتبع الشمس لن يكون ضرورياً لمثل هذه الخلايا، وأنها ستعمل بكفاءة حتى في الأيام الغائمة عندما يكون الضوء منتشراً. [ 52 ]

2010

يدعي الباحثون في مدرسة البوليتكنيك الفيدرالية في لوزان وفي جامعة كيبيك بمونتريال أنهم تغلبوا على اثنين من القضايا الرئيسية التي تواجه DSC: [ 54 ]

  • تم ابتكار "جزيئات جديدة" للإلكتروليت ، مما أدى إلى سائل أو هلام شفاف وغير قابل للتآكل، والذي يمكن أن يزيد من الجهد الضوئي ويحسن إنتاجية الخلية واستقرارها.
  • في الكاثود ، تم استبدال البلاتين بكبريتيد الكوبالت ، وهو أقل تكلفة بكثير، وأكثر كفاءة، وأكثر استقرارًا، وأسهل في الإنتاج في المختبر. [ 55 ]

2011

أعلنت شركتا دايسول وتاتا ستيل أوروبا في يونيو عن تطوير أكبر وحدة كهروضوئية حساسة للصبغة في العالم، مطبوعة على الفولاذ في خط إنتاج متواصل. [ 56 ]

أعلنت شركتا دايسول ومنظمة الكومنولث للبحوث العلمية والصناعية (CSIRO) في أكتوبر عن إنجاز المرحلة الثانية بنجاح في مشروعهما المشترك. وصرح مدير شركة دايسول، جوردون طومسون، قائلاً: "تتمتع المواد التي طُوّرت خلال هذا التعاون المشترك بإمكانية إحداث نقلة نوعية في تسويق تقنية التحفيز الحراري التفاضلي (DSC) في مجموعة واسعة من التطبيقات التي تتطلب أداءً عالياً واستقراراً مثالياً. وتشعر دايسول بتفاؤل كبير إزاء الإنجازات التي تحققت في مجال الكيمياء والتي أتاحت إنتاج الجزيئات المستهدفة، مما يمهد الطريق للاستخدام التجاري الفوري لهذه المواد الجديدة." [ 57 ]

أعلنت شركتا دايسول وتاتا ستيل أوروبا في نوفمبر عن تطوير مُستهدف لألواح فولاذية مُدمجة في المباني (BIPV) تعمل بالطاقة الشمسية، وتُنافس في تكافؤ تكلفة الطاقة الشمسية مع تكلفة الشبكة الكهربائية، ولا تتطلب تعريفات تغذية مدعومة من الحكومة. ويجري حاليًا تركيب أسقف "الفولاذ الشمسي" من إنتاج تاتا-دايسول في مركز أغلفة المباني المستدامة (SBEC) في شوتون، ويلز. [ 58 ] [ 59 ]

2012

أعلن باحثون من جامعة نورث وسترن [ 60 ] عن حلٍّ لمشكلة رئيسية في خلايا الطاقة الشمسية الحساسة للصبغة، وهي صعوبة استخدام الإلكتروليت السائل وحفظه، وما يترتب على ذلك من قصر عمر الجهاز. وقد تحقق هذا الحل باستخدام تقنية النانو وتحويل الإلكتروليت السائل إلى مادة صلبة. تبلغ كفاءة التيار حوالي نصف كفاءة خلايا السيليكون، إلا أن هذه الخلايا خفيفة الوزن ومن المحتمل أن تكون تكلفة إنتاجها أقل بكثير.

2013

خلال السنوات الخمس إلى العشر الماضية، تم تطوير نوع جديد من خلايا الطاقة الشمسية الحساسة للصبغة (DSSC) - وهي خلايا الطاقة الشمسية الصلبة الحساسة للصبغة. في هذه الحالة، يُستبدل الإلكتروليت السائل بأحد المواد الصلبة الموصلة للثقوب. بين عامي 2009 و2013، ارتفعت كفاءة خلايا الطاقة الشمسية الصلبة الحساسة للصبغة بشكل ملحوظ من 4% إلى 15%. أعلن مايكل غراتزل عن تصنيع خلايا طاقة شمسية صلبة حساسة للصبغة بكفاءة 15.0%، وذلك باستخدام صبغة بيروفسكايت هجينة CH₃NH₃PbI₃ ، تم ترسيبها لاحقًا من محاليل منفصلة من CH₃NH₃I و PbI₂ . [ 31 ]

تم عرض أول نموذج للتكامل المعماري في مركز سويس تك للمؤتمرات التابع للمعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان (EPFL ) بالتعاون مع شركة روماند إنرجي . تبلغ المساحة الإجمالية 300 متر مربع ، موزعة على 1400 وحدة نمطية بأبعاد 50 سم × 35 سم. صممه الفنانان دانيال شلايبفر وكاثرين بول. [ 61 ]  

2018

درس الباحثون دور رنين البلازمون السطحي الموجود على قضبان الذهب النانوية في أداء الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة. ووجدوا أنه مع زيادة تركيز القضبان النانوية، يزداد امتصاص الضوء خطيًا؛ ومع ذلك، فإن استخلاص الشحنة يعتمد أيضًا على التركيز. عند التركيز الأمثل، وجدوا أن كفاءة تحويل الطاقة الإجمالية تحسنت من 5.31% إلى 8.86% للخلايا الشمسية الحساسة لصبغة Y123. [ 62 ]

تم بنجاح إثبات تصنيع هياكل نانوية أحادية البعد من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂ ) مباشرةً على ركائز زجاجية من أكسيد القصدير المطعّم بالفلور، وذلك عبر تفاعل حراري مذيب ثنائي المراحل . [ 63 ] بالإضافة إلى ذلك، ومن خلال معالجة محلول ثاني أكسيد التيتانيوم ، تم تحسين أداء خلايا الأسلاك النانوية المزدوجة من ثاني أكسيد التيتانيوم ، لتصل كفاءة تحويل الطاقة إلى 7.65%. [ 64 ]

تم الإبلاغ عن استخدام أقطاب مضادة مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ في خلايا الطاقة الشمسية الحساسة للصبغة، مما يقلل التكلفة بشكل أكبر مقارنةً بالأقطاب المضادة التقليدية المصنوعة من البلاتين، كما أنها مناسبة للاستخدام الخارجي. [ 65 ] [ 66 ]

طوّر باحثون من المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان (EPFL) خلايا شمسية حساسة للصبغة تعتمد على إلكتروليتات الأكسدة والاختزال لمركبات النحاس ، والتي حققت كفاءة بلغت 13.1% في ظل ظروف AM1.5G القياسية، وكثافة إضاءة 100  ميلي واط/سم² ، وسجلت كفاءة بلغت 32% تحت إضاءة داخلية بقوة 1000 لوكس. [ 67 ] [ 68 ]

استخدم باحثون من جامعة أوبسالا أشباه موصلات من النوع السالب بدلاً من الإلكتروليت المؤكسد المختزل لتصنيع خلايا شمسية صلبة من النوع الموجب حساسة للصبغة. [ 43 ] [ 42 ]

2021

حظي مجال الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني (BIPV) باهتمام متزايد من الأوساط العلمية نظرًا لقدرته على الحد من التلوث وتكاليف المواد والكهرباء، فضلًا عن تحسين المظهر الجمالي للمباني. [ 69 ] في السنوات الأخيرة، بحث العلماء عن سبل لدمج خلايا DSSC في تطبيقات BIPV، نظرًا لمحدودية انتشار أنظمة الخلايا الكهروضوئية القائمة على السيليكون في هذا المجال، وذلك بسبب أساليب تصنيعها كثيفة الاستهلاك للطاقة، وضعف كفاءة تحويلها في ظروف الإضاءة المنخفضة، ومتطلبات صيانتها العالية. [ 70 ] في عام 2021، طوّر فريق من الباحثين من جامعة سيليزيا للتكنولوجيا في بولندا خلية DSSC استُبدل فيها القطب الزجاجي التقليدي بقطب كهربائي مصنوع من بلاطة سيراميك ورقائق نيكل. ويكمن الدافع وراء هذا التغيير في أنه على الرغم من أن الركائز الزجاجية حققت أعلى كفاءة مسجلة لخلايا DSSC، إلا أن استخدام مواد أخف وزنًا وأكثر مرونة يُعد ضروريًا لتطبيقات BIPV، مثل بلاط الأسطح أو واجهات المباني. يشمل ذلك الأغشية البلاستيكية والمعادن والفولاذ والورق، مما قد يساهم أيضًا في خفض تكاليف التصنيع. وقد وجد الفريق أن كفاءة الخلية تبلغ 4% (وهي قريبة من كفاءة الخلية الشمسية ذات القطب المضاد الزجاجي)، مما يُظهر إمكانية تصنيع خلايا شمسية حساسة للصبغة مدمجة في المباني، تتميز بالاستقرار وانخفاض التكلفة. [ 71 ]

2022

المواد الحساسة للضوء هي مركبات صبغية تمتص الفوتونات من الضوء الساقط وتطلق الإلكترونات، مما ينتج تيارًا كهربائيًا يمكن استخدامه لتشغيل جهاز أو وحدة تخزين. ووفقًا لدراسة حديثة أجراها مايكل غراتزل وزميله العالم أندرس هاغفيلدت ، فقد أدت التطورات في مجال المواد الحساسة للضوء إلى تحسين كبير في أداء خلايا DSSC في ظل ظروف الإضاءة الشمسية والمحيطة. ومن العوامل الرئيسية الأخرى لتحقيق أرقام قياسية في تحويل الطاقة التحسيس المشترك، نظرًا لقدرته على دمج أصباغ قادرة على امتصاص الضوء عبر نطاق أوسع من الطيف الضوئي. [ 72 ] التحسيس المشترك هو أسلوب تصنيع كيميائي ينتج أقطابًا كهربائية لخلايا DSSC تحتوي على صبغتين مختلفتين أو أكثر ذات قدرات امتصاص ضوئي متكاملة ، مما يتيح استخدام جميع أشعة الشمس المتاحة. [ 73 ]

توصل باحثون من المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان (EPFL) إلى أن كفاءة الخلايا الشمسية الحساسة للضوء يمكن رفعها عن طريق الامتزاز المسبق لطبقة أحادية من مشتق حمض الهيدروكساميك على سطح ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي المسامي، والذي يعمل كآلية لنقل الإلكترونات في القطب. استُخدم في الدراسة جزيئان من المواد الحساسة للضوء: الصبغة العضوية SL9، التي تعمل كجامع رئيسي للضوء ذي الطول الموجي الطويل، والصبغة SL10، التي توفر ذروة امتصاص إضافية تعوض عن ضعف قدرة SL9 على امتصاص الضوء الأزرق. وقد وُجد أن إضافة طبقة حمض الهيدروكساميك هذه تُحسّن من التراص الجزيئي والترتيب في طبقة الصبغة، مما يُبطئ امتزاز المواد الحساسة ويزيد من مردودها الكمي الفلوري ، وبالتالي يُحسّن كفاءة تحويل الطاقة في الخلية. [ 74 ]

أظهرت خلية الطاقة الشمسية الحساسة للصبغة (DSSC) التي طورها الفريق كفاءة تحويل طاقة قياسية بلغت 15.2% تحت ظروف إضاءة شمسية عالمية محاكاة، واستقرارًا تشغيليًا طويل الأمد لأكثر من 500 ساعة. إضافةً إلى ذلك، أظهرت الأجهزة ذات المساحة الفعالة الأكبر كفاءة تقارب 30% مع الحفاظ على استقرار عالٍ، مما يفتح آفاقًا جديدة في مجال خلايا الطاقة الشمسية الحساسة للصبغة. [ 74 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ وان، هايينغ "الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة" ، قسم الكيمياء بجامعة ألاباما، ص 3، نُشر عام 2004.
  2. ↑ "الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة مقابل الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة" ، المعهد الأوروبي لأبحاث الطاقة، 30 يونيو 2006
  3. ↑ التاريخ المبكر ، مؤرشف في 28 مارس 2016 على موقع Wayback Machine . Workspace.imperial.ac.uk. تم الاطلاع عليه في 30 مايو 2013.
  4. ↑ أوريغان، برايان؛ غراتزل، مايكل (1991). "خلية شمسية منخفضة التكلفة وعالية الكفاءة تعتمد على أغشية TiO2 الغروية الحساسة للصبغة" . مجلة نيتشر . 353 (6346): 737-740 . Bibcode : 1991Natur.353..737O . doi : 10.1038/353737a0 . S2CID 4340159 . 
  5. ↑ فاز البروفيسور غراتزل بالجائزة الكبرى لتكنولوجيا الألفية لعام 2010 عن الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة ، أكاديمية التكنولوجيا في فنلندا، 14 يونيو 2010.
  6. ↑ تريبوتش، هـ (2004). "الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة: تقييم نقدي لمنحنى التعلم". مراجعات كيمياء التنسيق . 248 ( 13-14 ): 1511-1530 . doi : 10.1016/j.ccr.2004.05.030 .
  7. ١ ٢ "الخلايا الكهروضوئية (الخلايا الشمسية)، كيف تعمل" . specmat.com. مؤرشف من الأصل بتاريخ ١٨ مايو ٢٠٠٧. تم الاطلاع عليه بتاريخ ٢٢ مايو ٢٠٠٧ .
  8. ↑ "شركة لونجي تسجل رقماً قياسياً عالمياً جديداً بنسبة 27.09% في كفاءة الخلايا الشمسية ذات التلامس الخلفي غير المتجانس المصنوع من السيليكون" . لونجي . تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 مارس 2024 .
  9. ↑ روهل، سفين (2016). "القيم المُجدولة لحدود شوكلي-كويسر للخلايا الشمسية أحادية الوصلة". الطاقة الشمسية . 130 : 139-147 . Bibcode : 2016SoEn..130..139R . doi : 10.1016/j.solener.2016.02.015 .
  10. ↑ جيريشير، هـ؛ ميشيل-بايرل، م.إ؛ ريبنتروست، ف؛ تريبوتش، هـ (1968). "تحسيس حقن الشحنة في أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الكبيرة". مجلة إلكتروكيميكا أكتا . 13 (6): 1509-1515 . doi : 10.1016/0013-4686(68)80076-3 .
  11. ↑ تريبوتش، هـ؛ كالفن، م (1971). "الكيمياء الكهربائية للجزيئات المثارة: التفاعلات الكهروضوئية للكلوروفيل". الكيمياء الضوئية والبيولوجيا الضوئية . 14 (2): 95-112 . doi : 10.1111/j.1751-1097.1971.tb06156.x . S2CID 97431760 . 
  12. ↑ تريبوتش، هيلموت (2008). "تفاعل جزيئات الكلوروفيل المثارة عند الأقطاب الكهربائية وفي عملية التمثيل الضوئي". الكيمياء الضوئية والبيولوجيا الضوئية . 16 (4): 261-269 . doi : 10.1111/j.1751-1097.1972.tb06297.x . S2CID 94054808 . 
  13. ↑ ماتسومورا، ميتشيو؛ ماتسودايرا، شيغيوكي؛ تسوبومورا، هيروشي؛ تاكاتا، ماساسوكي؛ ياناجيدا، هيروآكي (1980). "تحسيس الصبغة والبنية السطحية لأقطاب أشباه الموصلات". مجلة الهندسة الكيميائية الصناعية وبحوث وتطوير المنتجات . 19 (3): 415-421 . doi : 10.1021/i360075a025 .
  14. ↑Tian, Haining; Gardner, James; Edvinsson, Tomas; Pati, Palas B.; Cong, Jiayan; Xu, Bo; Abrahamsson, Maria; Cappel, Ute B.; Barea, Eva M. (19 August 2019), "CHAPTER 3:Dye-sensitised Solar Cells", Solar Energy Capture Materials, Inorganic Materials Series, pp. 89–152, doi:10.1039/9781788013512-00089, ISBN 978-1-78801-107-5, S2CID 202418222
  15. ↑Younas, M.; Baroud, Turki N.; Gondal, M.A.; Dastageer, M.A.; Giannelis, Emmanuel P. (August 2020). "Highly efficient, cost-effective counter electrodes for dye-sensitized solar cells (DSSCs) augmented by highly mesoporous carbons". Journal of Power Sources. 468 228359. Bibcode:2020JPS...46828359Y. doi:10.1016/j.jpowsour.2020.228359. S2CID 219920483.
  16. ↑Zatirostami, Ahmad (December 2020). "Electro-deposited SnSe on ITO: A low-cost and high-performance counter electrode for DSSCs". Journal of Alloys and Compounds. 844 156151. doi:10.1016/j.jallcom.2020.156151. S2CID 225022436.
  17. ↑Gullace, S.; Nastasi, F.; Puntoriero, F.; Trusso, S.; Calogero, G. (March 2020). "A platinum-free nanostructured gold counter electrode for DSSCs prepared by pulsed laser ablation". Applied Surface Science. 506 144690. Bibcode:2020ApSS..50644690G. doi:10.1016/j.apsusc.2019.144690. S2CID 212976220.
  18. ↑Mehmood, Umer; Ul Haq Khan, Anwar (November 2019). "Spray coated PbS nano-crystals as an effective counter-electrode material for platinum free Dye-Sensitized Solar Cells (DSSCs)". Solar Energy. 193: 1–5. Bibcode:2019SoEn..193....1M. doi:10.1016/j.solener.2019.09.035. S2CID 204199274.
  19. ↑Huang, Yi-June; Lee, Chuan-Pei; Pang, Hao-Wei; Li, Chun-Ting; Fan, Miao-Syuan; Vittal, R.; Ho, Kuo-Chuan (December 2017). "Microemulsion-controlled synthesis of CoSe 2 /CoSeO 3 composite crystals for electrocatalysis in dye-sensitized solar cells". Materials Today Energy. 6: 189–197. doi:10.1016/j.mtener.2017.10.004.
  20. ↑ دو، فينغ؛ يانغ، تشون؛ تشين، تيانزي؛ لي، غوانغ (أبريل 2017). "النمو المُتحكم فيه مورفولوجيًا لأكاسيد NiCo2O4 الثلاثية وتطبيقها في الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة كأقطاب مضادة". الطاقة الشمسية . 146 : 125-130 . Bibcode : 2017SoEn..146..125D . doi : 10.1016/j.solener.2017.02.025 .
  21. ↑ جين، زيتونغ؛ تشاو، غوانيو؛ وانغ، تشونغ شنغ (2018). "النمو المتحكم به لأغشية Ni x Co y Se وتأثير التركيب على الأداء الكهروضوئي للخلايا الشمسية شبه الصلبة الحساسة للصبغة". مجلة كيمياء المواد C. 6 ( 15): 3901-3909 . doi : 10.1039/C8TC00611C .
  22. ↑ لو، مان نينغ؛ لين، جينغ يو؛ وي، تزو تشين (نوفمبر 2016). "استكشاف الوظيفة الرئيسية لرقائق أكسيد الجرافين المختزل النانوية في قطب مضاد من كبريتيد النيكل والكوبالت لخلايا شمسية حساسة للصبغة". مجلة مصادر الطاقة . 332 : 281-289 . Bibcode : 2016JPS...332..281L . doi : 10.1016/j.jpowsour.2016.09.144 .
  23. 1 2 خوان بيسكيرت ، “الخلايا الشمسية الحساسة للصبغ” أرشفة 21 ديسمبر 2011 في آلة Wayback .، قسم الفيزياء، جامعة جاومي الأول
  24. ↑ "تعليمات تجميع الخلايا الشمسية الصبغية" . سولارونيكس. مؤرشف من الأصل بتاريخ 28 سبتمبر 2007. تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 مايو 2007 .
  25. ↑ هامان، توماس دبليو؛ جنسن، ريبيكا أ؛ مارتينسون، أليكس ب. ف؛ فان ريسويك، هال؛ هوب، جوزيف ت (2008). "التطور إلى ما هو أبعد من الجيل الحالي من الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة". الطاقة والعلوم البيئية . 1 (1): 66-78 . Bibcode : 2008EnEnS...1...66H . doi : 10.1039/b809672d .
  26. ↑ هارا، كوهجيرو؛ أراكاوا، هيرونوري (2005). "الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة". دليل علوم وهندسة الخلايا الكهروضوئية . الصفحات 663-700 . doi : 10.1002/0470014008.ch15 . ISBN  9780470014004.
  27. ↑ تيواري، أشوتوش؛ سنور، مايكل (2008). "تخليق وتوصيف أقطاب نانوية شبيهة بالنباتات من أكسيد الزنك". مجلة علوم النانو وتكنولوجيا النانو . 8 (8): 3981-3987 . doi : 10.1166/jnn.2008.299 . PMID 19049161 . 
  28. ↑ الجمعية الكيميائية الأمريكية، "الخلايا الشمسية الرقيقة للغاية والحساسة للصبغة تُوصف بأنها الأكثر كفاءة حتى الآن" ، ساينس ديلي ، 20 سبتمبر 2006
  29. ↑ غاو، فيفي؛ وانغ، يوان؛ تشانغ، جينغ؛ شي، دونغ؛ وانغ، مينغكوي؛ همفري-بيكر، روبن؛ وانغ، بنغ؛ زكير الدين، شيخ م؛ غراتزل، مايكل (2008). "محسِّس روثينيوم غير متجانس جديد يعزز امتصاصية غشاء ثاني أكسيد التيتانيوم المسامي لخلايا شمسية حساسة للصبغة عالية الكفاءة" . مجلة الاتصالات الكيميائية (23): 2635-2637 . doi : 10.1039/b802909a . PMID 18535691 . 
  30. ↑ باباجورجيو، نيك (7 نوفمبر 2013). "الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة تنافس كفاءة الخلايا التقليدية" - عبر actu.epfl.ch.{{cite journal}}يتطلب الاستشهاد بالمجلة ( مساعدة )|journal=
  31. 1 2 بورشكا، جوليان؛ بيليه، نورمان؛ مون، سو-جين؛ همفري-بيكر، روبن؛ غاو، بينغ؛ نذير الدين، محمد ك؛ غراتزل، مايكل (2013). "الترسيب المتسلسل كطريقة لإنتاج خلايا شمسية عالية الأداء حساسة للبيروفسكايت". مجلة نيتشر . 499 (7458): 316-319 . Bibcode : 2013Natur.499..316B . doi : 10.1038/nature12340 . PMID: 23842493. S2CID : 4348717 .  
  32. ↑ إستس، كاثلين (7 أبريل 2014). "اكتشافات جديدة للمساعدة في إطالة عمر الخلايا الشمسية عالية الكفاءة" . Rdmag.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 أغسطس 2014 .
  33. ^ تشيتيبابو، كيثني، ج. وآخرون . الخلية الكهروضوئية ، براءة الاختراع الأوروبية WO/2004/006292، تاريخ النشر: 15 يناير 2004.
  34. ↑ احتياجات البحث الأساسية لاستخدام الطاقة الشمسية مؤرشفة في 16 يوليو 2011 في Wayback Machine ، وزارة الطاقة الأمريكية، مكتب علوم الطاقة الأساسية، 2005.
  35. ↑ جيسيكا كروجر، "هندسة الواجهات في الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة ذات الحالة الصلبة"، مؤرشفة في 26 فبراير 2006 في Wayback Machine ، المدرسة الفيدرالية للفنون التطبيقية في لوزان، 2003
  36. ↑ كيمبرلي باتش، "الخلايا الشمسية تعمل كبطاريات" ، أخبار أبحاث التكنولوجيا ، 2006
  37. ^ مدرسة البوليتكنيك الفيدرالية في لوزان، “معيار الكفاءة الجديد للخلايا الشمسية الحساسة للصبغ” ، ScienceDaily ، 3 نوفمبر 2008
  38. 1 2 ناتالي روسييه إيتن، "الخلايا الشمسية الهجينة الصلبة الحساسة للصبغة: مواد عضوية جديدة، إعادة تركيب الشحنة والاستقرار" ، مدرسة البوليتكنيك الفيدرالية في لوزان، 2006
  39. ↑ ناتستاد، أ؛ موزر، أ. ج؛ فيشر، م. ك. ر؛ تشينغ، ي.-ب؛ ميشرا، أ؛ باورل، ب؛ باخ، يو (2009). "مهابط ضوئية عالية الكفاءة للخلايا الشمسية الترادفية الحساسة للصبغة". مجلة نيتشر ماتيريالز . 9 (1): 31-35 . رمز Bibcode : 2010NatMa...9...31N . doi : 10.1038/nmat2588 . PMID 19946281 . 
  40. ↑ تيان، هاينينغ؛ هامارستروم، ليف؛ بوشلو، جيريت؛ تشانغ، لي (10 فبراير 2016). "الخلايا الشمسية الصلبة من النوع p الحساسة للصبغة: المفهوم والتجربة والآلية". الكيمياء الفيزيائية والكيمياء الفيزيائية . 18 (7): 5080-5085 . Bibcode : 2016PCCP...18.5080Z . doi : 10.1039/C5CP05247E . ISSN 1463-9084 . PMID 26478116 .  
  41. ↑ تيان، هاينينغ؛ هامارستروم، ليف؛ بوشلو، جيريت؛ صن، جونليانغ؛ كوبارت، توماس؛ يوهانسون، مالين؛ يانغ، وينشينغ؛ لين، جونزونغ؛ تشانغ، تشيبين (20 ديسمبر 2017). "تجديد فائق السرعة للصبغة في غشاء مسامي متوسط ​​الحجم من نوع NiO-صبغة-TiO2 ذي بنية أساسية-غلافية" . الكيمياء الفيزيائية والكيمياء الفيزيائية . 20 (1): 36-40 . doi : 10.1039/C7CP07088H . ISSN 1463-9084 . PMID 29210392 .  
  42. تيان ، هاينينغ؛ هامارستروم، ليف؛ بوشلو، جيريت؛ كلو، لارس؛ صن، جونليانغ؛ هوا، يونغ؛ كوبارت، توماس؛ لين، جونزونغ؛ باتي، بالاس باران (10 أبريل 2018). " خلايا شمسية صلبة من النوع p حساسة للصبغة NiO–صبغة–TiO2 ذات بنية أساسية-غلافية" . مجلة الاتصالات الكيميائية . 54 (30): 3739-3742 . doi : 10.1039/C8CC00505B . ISSN 1364-548X . PMID 29589009 .  
  43. 1 2 شو، بو؛ تيان، لي؛ إتمان، أحمد س.؛ صن، جونليانغ؛ تيان، هاينينغ (يناير 2019). "مهابط ضوئية نانوية مسامية من أكسيد النيكل-صبغة-أكسيد الزنك مُعالجة بالمحلول: نحو خلايا شمسية صلبة من النوع p حساسة للصبغة وخلايا كهروضوئية حساسة للصبغة ذات كفاءة واستقرار عالٍ". طاقة النانو . 55 : 59-64 . Bibcode : 2019NEne...55...59X . doi : 10.1016/j.nanoen.2018.10.054 . S2CID 105027678 . 
  44. ↑ تيان، هاينينغ (26 مارس 2019). "الخلايا الشمسية الصلبة من النوع p الحساسة للصبغة: التقدم والتطبيقات المحتملة والتحديات" . الطاقة المستدامة والوقود . 3 (4): 888-898 . doi : 10.1039/C8SE00581H . ISSN 2398-4902 . 
  45. ↑ كالياناسوندام، ك.؛ غراتزل، مايكل (2 فبراير 1999). "خلايا شمسية حساسة للصبغة (DYSC) تعتمد على أغشية أشباه الموصلات النانوية البلورية من الأكسيد" . مختبر الفوتونيات والواجهات، المدرسة الفيدرالية للفنون التطبيقية في لوزان . مؤرشف من الأصل في 6 فبراير 2005. تم الاطلاع عليه في 22 مايو 2007 .
  46. ↑ وانغ، بينغ؛ زكير الدين، شيخ م؛ موزر، جاك إي؛ نذير الدين، محمد ك؛ سيكيغوتشي، تاكاشي؛ غراتزل، مايكل (2003). "خلية شمسية مستقرة شبه صلبة حساسة للصبغة مع مُحسِّس روثينيوم أمفيباتي وإلكتروليت هلامي بوليمري" . مجلة نيتشر ماتيريالز . 2 (6): 402-407 . Bibcode : 2003NatMa...2..402W . doi : 10.1038/nmat904 . PMID 12754500. S2CID 27383758 .  
  47. ↑ غراتزل، مايكل (2003). "الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة". مجلة الكيمياء الضوئية والبيولوجيا الضوئية ج: مراجعات الكيمياء الضوئية . 4 (2): 145-153 . doi : 10.1016/S1389-5567(03)00026-1 .
  48. ↑ مايكل بيرغر، "الأسلاك النانوية قد تؤدي إلى تحسين الخلايا الشمسية" ، نيوزواير توداي ، 03/06/2006
  49. ↑ كامبل، واين م؛ جولي، كينيث و؛ فاغنر، باول؛ فاغنر، كلاوديا؛ والش، بيني ج؛ غوردون، كيث س؛ شميدت-ميندي، لوكاس؛ نذير الدين، محمد ك؛ وانغ، تشينغ؛ غراتزل، مايكل؛ أوفيسر، ديفيد ل (2007). "محسسات البورفيرين عالية الكفاءة للخلايا الشمسية الحساسة للصبغة". مجلة الكيمياء الفيزيائية ج . 111 (32): 11760-2 . CiteSeerX 10.1.1.459.6793 . doi : 10.1021/jp0750598 . 
  50. ↑ وانغ، تشينغ؛ كامبل، واين م؛ بونفانتاني، إيديا إي؛ جولي، كينيث و؛ أوفيسر، ديفيد ل؛ والش، بيني ج؛ غوردون، كيث؛ همفري-بيكر، روبن؛ نذير الدين، محمد ك؛ غراتزل، مايكل (2005). "حصاد ضوئي فعال باستخدام أغشية نانوية بلورية من ثاني أكسيد التيتانيوم مُحسَّسة ببورفيرين الزنك الأخضر" . مجلة الكيمياء الفيزيائية ب . 109 (32): 15397-1409 . doi : 10.1021/jp052877w . PMID 16852953 . 
  51. ↑ باي، يو؛ كاو، ييمينغ؛ تشانغ، جينغ؛ وانغ، مينغكوي؛ لي، رينزي؛ وانغ، بنغ؛ زكير الدين، شيخ م؛ غراتزل، مايكل (2008). "خلايا شمسية عالية الأداء حساسة للصبغة تعتمد على إلكتروليتات خالية من المذيبات مُنتَجة من مصهورات يوتكتيكية". مجلة نيتشر ماتيريالز . 7 (8): 626-630 . Bibcode : 2008NatMa...7..626B . doi : 10.1038/nmat2224 . PMID 18587401 . 
  52. 1 2 3 4 بورزاك، كاثرين (30 أكتوبر 2009). "تغليف الخلايا الشمسية حول الألياف البصرية" . مراجعة التكنولوجيا . مؤرشف من الأصل في 30 أكتوبر 2009. تم الاسترجاع في 31 أكتوبر 2009 .
  53. ↑ وينتروب، بنيامين؛ وي، ياغوانغ؛ وانغ، تشونغ لين (2009). "هياكل هجينة من الألياف البصرية/الأسلاك النانوية لخلايا شمسية ثلاثية الأبعاد فعالة حساسة للصبغة". Angewandte Chemie International Edition . 48 (47): 8981–5 . doi : 10.1002/anie.200904492 . PMID 19852015 . 
  54. ↑ كوكسورث، بن (8 أبريل 2010) اختراق في الخلايا الشمسية الفعالة منخفضة التكلفة ، جيزماج.
  55. ↑ خلايا شمسية غير مكلفة وعالية الكفاءة ممكنة ، ساينس ديلي، 12 أبريل 2010.
  56. ↑ أنتجت شركتا تاتا ستيل ودايسول أكبر وحدة كهروضوئية حساسة للصبغة في العالم . Tatasteeleurope.com (10 يونيو 2011). تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 يوليو 2011.
  57. ↑ خلية شمسية حساسة للصبغة. مؤرشفة في 28 مارس 2016 على موقع Wayback Machine . Dyesol (21 أكتوبر 2011). تم الاطلاع عليها في 6 يناير 2012.
  58. ↑ تأكيد هدف التصنيع . دايسول. ٢١ نوفمبر ٢٠١١
  59. ↑ شركة دايسول المحدودة – الاجتماع السنوي العام لشركة دايسول لعام 2011 – بث إذاعي مباشر من قاعة الاجتماعات . Brr.com.au (23 نوفمبر 2011). تم الاطلاع عليه بتاريخ 6 يناير 2012.
  60. ↑ فيلمان، ميغان (23 مايو 2012). "الارتقاء بتكنولوجيا الطاقة الشمسية إلى مستوى أعلى" . جامعة نورث وسترن.
  61. ↑ "حرم جامعة EPFL يضم أول نافذة شمسية في العالم" . أخبار EPFL . 5 نوفمبر 2013.
  62. ↑ تشاندراسيكار، ب. س.؛ باراشار، بيوش ك.؛ سوامي، سانجاي كومار؛ دوتا، فيريش؛ كومارالا، فامسي ك. (2018). "تحسين أداء الخلايا الشمسية الحساسة لصبغة Y123 باستخدام قضبان نانوية ذهبية بلازمونية". الكيمياء الفيزيائية والكيمياء الفيزيائية . 20 (14): 9651-9658 . Bibcode : 2018PCCP...20.9651C . doi : 10.1039/C7CP08445E . PMID 29582021 . 
  63. ↑ كارتيكاي، بورنندو؛ نيمالا، سيفا سانكار؛ ماليك، سودانشو (2017). "مصعد ضوئي أحادي البعد من ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي التركيب للخلايا الشمسية الحساسة للصبغة عن طريق التخليق الحراري المائي". مجلة علوم المواد: المواد في الإلكترونيات . 28 (15): 11528-33 . doi : 10.1007/s10854-017-6950-2 . S2CID 136164694 . 
  64. ↑ ليو، يي-يي؛ يي، شين-يو؛ آن، تشينغ-تشينغ؛ لي، بينغ-شين؛ صن، وي؛ صن، تشن-فان (2018). "تركيب جديد لأسلاك نانوية مزدوجة من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) ذات قاعدة مستقيمة وقاعدة منحنية لتطبيقات الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة". مجلة تكنولوجيا المساحيق المتقدمة . 29 (6): 1455-1462 . doi : 10.1016/j.apt.2018.03.008 . S2CID 139888611 . 
  65. ↑ نيمالا، سيفا سانكار؛ كارتيكاي، بورنندو؛ أغراوال، راهول كومار؛ بهارجافا، باراج؛ ماليك، سودانشو؛ بوم، سيفاسامبو (2018). "أحبار مركبة موصلة قليلة الطبقات قائمة على الجرافين لأقطاب مضادة من الفولاذ المقاوم للصدأ خالية من البلاتين لخلايا شمسية حساسة للصبغة". الطاقة الشمسية . 169 : 67-74 . Bibcode : 2018SoEn..169...67N . doi : 10.1016/j.solener.2018.02.061 . S2CID 126073469 . 
  66. ↑ لي، هينغ؛ تشاو، تشينغ؛ دونغ، هوي؛ ما، تشيانلي؛ وانغ، وي؛ شو، دونغشنغ؛ يو، دابنغ (2014). "خلايا شمسية حساسة للصبغة مصنوعة بالكامل من شبكة من الفولاذ المقاوم للصدأ، تتميز بمرونة عالية وتكلفة منخفضة". نانوسكيل . 6 (21): 13203-13212 . Bibcode : 2014Nanos...613203L . doi : 10.1039/C4NR03999H . PMID 25254313 . 
  67. ↑ كاو، ييمينغ؛ ليو، يوهانغ؛ زكير الدين، شيخ محمد؛ هاغفيلدت، أندرس؛ غراتزل، مايكل (2018). "التلامس المباشر لطبقات استخلاص الشحنة الانتقائية يُمكّن من إنتاج خلايا ضوئية جزيئية عالية الكفاءة" . مجلة جول . 2 (6): 1108-1117 . Bibcode : 2018Joule...2.1108C . doi : 10.1016/j.joule.2018.03.017 .
  68. ↑ سيرفيس، روبرت ف. (2018). "الخلايا الشمسية التي تعمل في الإضاءة المنخفضة يمكنها شحن الأجهزة داخل المباني". مجلة ساينس . doi : 10.1126/science.aat9682 .
  69. ↑ "الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني" . SEIA . تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 نوفمبر 2022 .
  70. ↑ دهوندي، ماهيش؛ ساهو، كيرتي؛ داس، مالياج؛ ياداف، أناند؛ غوش، بينتو؛ مورتي، فيمبارالا فينكاتا ساتيانارايانا (1 يونيو 2022). "مراجعة - التطورات الحديثة في الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة؛ من القطب الضوئي إلى القطب المضاد". مجلة الجمعية الكهروكيميائية . 169 (6): 066507. Bibcode : 2022JElS..169f6507D . doi : 10.1149/1945-7111/ac741f .
  71. ^ ماريك سيندلر. زيندلر، ماجدالينا؛ درايجالا، ألكسندرا؛ لوكاسزكوفيتش، كرزيستوف؛ كايم، بولينا؛ بيتروسزكا، رافائيل (4 يوليو 2021). "الخلية الشمسية الحساسة للصبغ لتطبيقات الطاقة الكهروضوئية المتكاملة للبناء (BIPV)" . مواد . 14 (13): 3743. بيب كود : 2021Mate...14.3743S . دوى : 10.3390/ma14133743 . بمك 8269900 . بميد 34279313 .  
  72. ↑ "تحقيق كفاءة قياسية جديدة بواسطة الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة" . SciTechDaily . 26 أكتوبر 2022. تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 نوفمبر 2022 .
  73. ↑ كول، جاكلين م.؛ بيبي، جوليو؛ البحري، عثمان ك.؛ كوبر، كريستوفر ب. (26 يونيو 2019). "التحسيس المشترك في الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة". مراجعات كيميائية . 119 (12): 7279-7327 . doi : 10.1021/acs.chemrev.8b00632 . PMID 31013076. S2CID 129943544 .  
  74. 1 2 رين، يامينج؛ تشانغ، دان. سو، جياجيا؛ تساو، ييمينغ؛ إيكمير، فيليكس تي؛ فلاتشوبولوس، نيك؛ ذاكر الدين، شيخ م.؛ هافيلدت، أندرس. جراتزل ، مايكل (26 أكتوبر 2022). "الامتصاص المسبق لحمض الهيدروكساميك يزيد من كفاءة الخلايا الشمسية الحساسة للحساسية" . طبيعة . 613 (7942): 60-65 . دوى : 10.1038 / s41586-022-05460-z . بميد 36288749 . S2CID 253160720 .