Ar mes einame link saulės elementų, kuriuose naudojama geležis? | NPP Azijos medžiagos

Ar mes einame link saulės elementų, kuriuose naudojama geležis? | NPP Azijos medžiagos

Anonim

Dalykai

  • Medžiagų chemija
  • Saulės elementai

Pagal masę geležis yra labiausiai paplitęs elementas žemėje ir plačiausiai naudojamas metalas pramonėje. Per 30 metų tyrimų metu paaiškėjo, kad geležis yra prastas pasirinkimas praktiniam pritaikymui saulės energijos konversijoje. Hematitas ir kiti geležies oksido polimorfai yra tinkami vandens oksidacijai fotoelektrocheminėse ląstelėse, bet vos vos. Fotoelektros, kurių pagrindą sudaro geležies oksidas ar sulfidinės medžiagos, yra neefektyvios, o lygios mikroelemento į silicį įtraukimas žymiai sumažina šių dienų komercinės fotoelektros efektyvumą. Į dažų jautrinamus saulės elementus (DSSC) įtraukiant geležies centrą į dažų molekulę gaunami menko efektyvumo prietaisai, kurie neturi jokios praktinės vertės. 1 Geležies pagrindu pagamintos medžiagos ir junginiai veikia pernešamą ir katalizuojamą šviesą veikiančius elektronus, tačiau pakankamai gerai, kad suteiktų vilties labai optimistiškiems mokslininkams akademinėse laboratorijose. Galiausiai geležis nuolatos nuvilia ir galima drąsiai daryti išvadą, kad geriausia laikyti geležį nuo saulės elementų. Iki šiol Harlangas ir kt. 2 nustatė, kad 1 paveiksle parodytas geležies junginys saulės šviesą renka per didžiąją dalį matomos srities, vėliau sujaudintos būsenos elektronus perduodant į TiO2 puslaidininkį, kurio efektyvumas didesnis kaip 90%. Toks efektyvumo proveržis yra puikus, ypač kai reikia atsižvelgti į dešimtmečius trukusį ankstesnį tyrimą, kurio metu net nieko nepavyko atlikti. Šis proveržis kelia klausimą, ar mes einame link saulės elementų, kuriuose naudojama geležis? Prieš pradedant spręsti šį klausimą, verta apsvarstyti, kokį poveikį geležies centras turi dažų molekulėms.

Image

N-heterociklinio karbeno Fe (II) junginio, kuris efektyviai perkelia elektronus į TiO 2, cheminė struktūra, kai apšviečiama matoma šviesa. Paimta be leidimo iš Harlang ir kt. 2

Visas dydis

Daugelis molekulinių junginių, kuriuose yra geležies, pavyzdžiui, hemas arba Fe (bpy) 3 2+ (kai bpy yra 2, 2′-bipiridinas), efektyviai sugeria saulės šviesą matomoje srityje. Tačiau sužadintos būsenos, susidariusios dėl šviesos sužadinimo, nespindi, kaip ir laisvosios bazės porfirinas arba Ru (bpy) 3 2+ . Vietoje to, sužadintos būsenos išsijungia per nepageidaujamas reakcijas, tarp kurių yra fotochemija arba tarpsisteminė kryžmė / vidinė konversija į ne luminescencines didelės slinkties būsenas. Neorganiniai fotochemikai pripažino, kad toks elgesys atsiranda dėl į metalą orientuotų būsenų, kurios kartais vadinamos „ligando lauko“ ar „dd“ būsenomis, kurios yra anti-jungtys geležies-ligando jungčių atžvilgiu. Bandymai pakelti šių į metalą orientuotų būsenų energiją, kad jie nebūtų apgyvendinti saulės spindulių, buvo nesėkmingi. Pvz., Hemo karbonilo junginiai, naudojant fotonuotrauką, išskiria anglies monoksidą, kurio vieningumas yra kvantinis, nors CO yra stipraus lauko ligadas, destabilizuojantis ligando lauko būsenas. Kompleksiniai ligandai, tokie kaip bpy, gali sumažinti kvantinį ligando praradimo fotochemijos kiekį, tačiau Monat et al. 3 įrodė, kad su dideliu sukiniu į metalą orientuotų būsenų neproduktyvi populiacija kiekybiškai pasireiškia femtosekundės laiko skalėje su tokiais junginiais. Taikant naują požiūrį, Harlangas ir kt. apeidavo šias problemas stipriais σ-donoriais anijoniniais N-heterocikliniais karbeno (NHC) kompleksonatais, kurie slopina šiuos nepageidaujamus dezaktyvacijos kelius. Iš tiesų, kai šis junginys buvo imobilizuotas ant izoliatoriaus Al 2 O 3 ir apšviestas matoma šviesa, nustatyta, kad norima sužadinimo būsena gyvena 37 psr. Tai reikšmė, kuri išliko iki šiol. Nustatyta, kad sužadintos būsenos elektronų įpurškimo į mezoporines TiO 2 plonas plėveles, dažniausiai naudojamas DSSC, laiko konstanta yra apie 3 ps, o tai atitinka> 90% praneštą išeigą. 2 Iš tiesų, įvairūs spektroskopiniai matavimai davė tvirtų įrodymų, kad beveik kiekybiškai sužadintos sąsajos paviršiaus elektronų pernešimas į TiO 2 . Visiškai aišku, kad pagaliau buvo atrastas geležies junginys, kuris efektyviai perduoda elektronus, kai yra apšviestas matoma šviesa!

Taigi, ar mes einame link saulės elementų, kuriuose naudojama geležis? Iš dalies atsakymas į šį klausimą slypi DSSC gebėjime konkuruoti su tradicine Si fotoelektros energija, taip pat su naujomis technologijomis, tokiomis kaip švino pagrindu sukurti perovskitai. Jei taip, vis dar lieka iššūkių mokslui. Beveik kiekybiškai sušvirkštų elektronų išeiga buvo matuojama spektroskopiškai ir NEI matuojant elektronus išorinėje grandinėje, kur jie galėtų tiekti elektrą. Po sujaudintos būsenos injekcijos į TiO 2 oksiduoto geležies junginio neveiksmingai „regeneruoja“ redokso tarpininkai, dažniausiai naudojami DSSC. Be to, saulės šviesos skleidimas vyksta tik per oranžinę sritį (iki maždaug 600 nm), tačiau jos absorbcija nėra pastebima raudoname ar artimame infraraudonųjų spindulių regionuose. Padidėjusio lengvo derliaus nuėmimo ir palankesnės regeneracijos energetikos iššūkiai tam tikru mastu yra stačiakampiai. Alternatyvūs geležies junginiai, kurie naudoja šį naują NHC ligandą ir turi oficialų Fe III / II redukcijos potencialą, reikalingą regeneruoti jodidu, turės pasislinkimo mėlynumo spektrus. Taigi, jei nebus nustatyti alternatyvūs DSSC tarpininkavimo tarpininkai, atrodytų, kad reikės suderinti ir pagrindinius, ir sužadintus būsenos mažinimo potencialus. Nors iššūkis yra didelis, dažų energetikos optimizavimas sintetinio dizaino pagrindu yra didelis, o sėkmės tikimybė yra gana didelė. Šiuo atžvilgiu įdomu pastebėti, kad nepriklausomi Mukherjee ir kt. Skaičiavimai . 4 a priori numatė, kad geležies karbeno junginiai tikrai bus naudingi saulės energijos virsmui. Kadangi sintezė vadovaujasi teorija, labai tikėtina, kad bus veiksmingų geležies pagrindu pagamintų DSSC.

Be praktinių pritaikymų, Harlang et al. kelia keletą įdomių pagrindinių klausimų, kurie neabejotinai paskatins būsimus tyrimus. Iš tiesų, nors ankstyvieji dažų jautrumo geležies junginiais tyrimai neparodė jokio praktinio naudingumo, jie vis dar daro didelę įtaką mokslo bendruomenei, suinteresuotai efektyviu energijos konvertavimu naudojant pigias žemės medžiagas. 1 Radikalus Harlango geležies karbeno junginio pasitraukimas iš istoriškai dominavusių bipiridino ir porfirino ligandų atveria naujas galimybes jaudinti būsenoms, kurios beveik neabejotinai atspindi daugelio pasaulio laboratorijų vykdomus tyrimus, panaudoti ir apibūdinti. Be to, nebuvo numatyta, kad pateikta simetrinė bis-tridentato struktūra lems tokį efektyvų sužadintos būsenos elektronų perkėlimą. Dvi karboksirūgšties grupės negali tuo pačiu metu prisijungti prie to paties TiO 2 nanokristalito, o dogma tvirtina, kad naudingoje dažų molekulėje turėtų būti tik vienas dipolis, nukreiptas į puslaidininkio paviršių. Taigi neaišku, kodėl du stačiakampiai dipoliai nesumažino šio geležies junginio injekcijos išeigos. Panašiai netikėtai greitai įšvirkšto elektrono rekombinacija su oksiduotu geležies junginiu buvo žaibiška ir tai rodo, kad šiam geležies junginiui veikia alternatyvūs rekombinacijos keliai, galbūt per didelio nugaros būsenas. Toks žavus, tačiau menkai suprantamas elgesys kartu su realia praktinio pritaikymo galimybe sudaro labai šviesią geležies panaudojimo saulės elementuose ateitį.