barwnikowe ogniwa sŁoneczne · barwnikowe ogniwa sŁoneczne autorzy: katarzyna siuzdak, maciej...

18
BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE Autorzy: Katarzyna Siuzdak, Maciej Klein, Kamil Łapiński, Adam Cenian ("Rynek Energii" - październik 2015) Słowa kluczowe: ogniwa fotowoltaiczne, wydajność, barwniki metaloorganiczne, ditlenek tytanu Streszczenie. Praca jest poświęcona zagadnieniu barwnikowych ogniw fotowoltaicznych – ich budowie, sposo- bie wytwarzania, charakterystyce oraz zastosowaniu. W przeciwieństwie do popularnych na rynku paneli krze- mowych monokrystalicznych oraz polikrystalicznych, barwnikowe ogniwa fotowoltaiczne oparte na techno- logii bezkrzemowej, na nowych materiałach funkcjonalnych, takich jak np. nanocząstki metali i tlenków metali, barwniki organiczne czy polimery przewodzące. Ogniwa barwnikowe nie wymagają zaawansowanej technologii wytwarzania czy zachowania wysokiej czystości powietrza podczas procesu produkcyjnego, a możliwość stero- wania ich kolorem czy przezroczystością pozwala na szerokie zastosowanie ogniw tego typu, np. jako po- wierzchni zaciemniającej, integrację z fasadą budynku czy jako elementu dekoracyjnego. 1. WSTĘP Zasada działania ogniwa fotowoltaicznego opiera się na koncepcji rozdzielenia ładunków na granicy faz dwóch materiałów o różnym charakterze przewodnictwa. Dotychczas obszar ten był zdominowany przez urządzenia ze złączami wykonanymi z materiałów nieorganicznych, głównie z krzemu. W ostatnim okresie układom nieorganicznym wyzwanie rzuca tzw. foto- woltaika trzeciej generacji oparta o nowe materiały funkcjonalne – polimery przewodzące, nanorurki węglowe czy nanocząstki metali i tlenków metali . Wśród wielu rodzajów ogniw fotowoltaicznych nowej generacji, m.in. wykorzystujących kropki kwantowe, polimery prze- wodzące czy małocząsteczkowe związki organiczne, na rynku komercyjnym coraz częściej pojawiają się ogniwa z warstwą tl enku metalu nasączonego barwnikiem zwane barwnikowy- mi ogniwami słonecznymi. Barwnikowe ogniwa fotowoltaiczne (DSSC, ang. dye-sensitized solar cells), nazywane często od nazwiska profesora prowadzącego pionierskie badania w tej dziedzinie ogniwami Grät zela, cieszą się coraz szerszym zainteresowaniem ze względu na ich potencjał niskokosztowej konwersji promieniowania słoneczne-go na energię elektryczną [1]. W porównaniu do ogniw krzemowych, barwnikowe ogniwa fotowoltaiczne wytwarzane są z tańszych materiałów o niskiej czystości, bezpiecznych dla środowiska naturalnego. Obecnie maksymalne wydajności tego typu ogniw osiągają 13%, a szacowany na podstawie badań stabilności czas życia w wa- runkach eksploatacyjnych wynosi do 10 lat [2]. Biorąc pod uwagę wydajność, barwnikowe ogniwo nie może niestety równać się z tradycyjnym ogniwem krzemowym, ale jego zalety jednoznacznie przemawiają za rozpowszechnieniem tego typu urządzeń na rynku. Do najczęściej wymienianych zalet barwnikowych ogniw słonecznych należą [3-5]:

Upload: others

Post on 08-Aug-2020

5 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE · BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE Autorzy: Katarzyna Siuzdak, Maciej Klein, Kamil Łapiński, Adam Cenian ("Rynek Energii" - październik 2015) Słowa kluczowe:

BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE

Autorzy: Katarzyna Siuzdak, Maciej Klein, Kamil Łapiński, Adam Cenian

("Rynek Energii" - październik 2015)

Słowa kluczowe: ogniwa fotowoltaiczne, wydajność, barwniki metaloorganiczne, ditlenek tytanu

Streszczenie. Praca jest poświęcona zagadnieniu barwnikowych ogniw fotowoltaicznych – ich budowie, sposo-

bie wytwarzania, charakterystyce oraz zastosowaniu. W przeciwieństwie do popularnych na rynku paneli krze-

mowych monokrystalicznych oraz polikrystalicznych, barwnikowe ogniwa fotowoltaiczne oparte są na techno-

logii bezkrzemowej, na nowych materiałach funkcjonalnych, takich jak np. nanocząstki metali i tlenków metali,

barwniki organiczne czy polimery przewodzące. Ogniwa barwnikowe nie wymagają zaawansowanej technologii

wytwarzania czy zachowania wysokiej czystości powietrza podczas procesu produkcyjnego, a możliwość stero-

wania ich kolorem czy przezroczystością pozwala na szerokie zastosowanie ogniw tego typu, np. jako po-

wierzchni zaciemniającej, integrację z fasadą budynku czy jako elementu dekoracyjnego.

1. WSTĘP

Zasada działania ogniwa fotowoltaicznego opiera się na koncepcji rozdzielenia ładunków na

granicy faz dwóch materiałów o różnym charakterze przewodnictwa. Dotychczas obszar ten

był zdominowany przez urządzenia ze złączami wykonanymi z materiałów nieorganicznych,

głównie z krzemu. W ostatnim okresie układom nieorganicznym wyzwanie rzuca tzw. foto-

woltaika trzeciej generacji oparta o nowe materiały funkcjonalne – polimery przewodzące,

nanorurki węglowe czy nanocząstki metali i tlenków metali. Wśród wielu rodzajów ogniw

fotowoltaicznych nowej generacji, m.in. wykorzystujących kropki kwantowe, polimery prze-

wodzące czy małocząsteczkowe związki organiczne, na rynku komercyjnym coraz częściej

pojawiają się ogniwa z warstwą tlenku metalu nasączonego barwnikiem zwane barwnikowy-

mi ogniwami słonecznymi.

Barwnikowe ogniwa fotowoltaiczne (DSSC, ang. dye-sensitized solar cells), nazywane często

od nazwiska profesora prowadzącego pionierskie badania w tej dziedzinie ogniwami Grätzela,

cieszą się coraz szerszym zainteresowaniem ze względu na ich potencjał niskokosztowej

konwersji promieniowania słoneczne-go na energię elektryczną [1]. W porównaniu do ogniw

krzemowych, barwnikowe ogniwa fotowoltaiczne wytwarzane są z tańszych materiałów o

niskiej czystości, bezpiecznych dla środowiska naturalnego. Obecnie maksymalne wydajności

tego typu ogniw osiągają 13%, a szacowany na podstawie badań stabilności czas życia w wa-

runkach eksploatacyjnych wynosi do 10 lat [2]. Biorąc pod uwagę wydajność, barwnikowe

ogniwo nie może niestety równać się z tradycyjnym ogniwem krzemowym, ale jego zalety

jednoznacznie przemawiają za rozpowszechnieniem tego typu urządzeń na rynku.

Do najczęściej wymienianych zalet barwnikowych ogniw słonecznych należą [3-5]:

Page 2: BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE · BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE Autorzy: Katarzyna Siuzdak, Maciej Klein, Kamil Łapiński, Adam Cenian ("Rynek Energii" - październik 2015) Słowa kluczowe:

a) niski koszt - ogniwa DSSC wytwarzane są z ogólnodostępnych i tanich materiałów, a ich

koszty produkcji są stosunkowo niewielkie w porównaniu do ogniw półprzewodniko-

wych – głównie ze względu na małą energochłonność procesu produkcji oraz podstawowe

warunki laboratoryjne.

b) dobry stosunek wydajności do ceny - ogniwa DSSC charakteryzują się rozbudowaną

nanostrukturą, co ułatwia absorbcję fotonów promieniowania słonecznego. Ponadto,

barwniki stosowane w ogniwach wydajnie konwertują energię fotonów na ładunek elek-

tryczny. Mimo, że wydajność ogniw DSSC jest niższa od ogniw pierwszej czy drugiej ge-

neracji, to sam stosunek osiąganej wydajności fotokonwersji do ceny jest znacznie wyższy

dla DSSC. Fakt ten zdecydowanie przemawia, z ekonomicznego punktu widzenia, za

wzrostem udziału tego typu ogniw w powiększającym się rynku energii odnawialnej,

szczególnie w zakresie mikro i małych instalacji PV.

c) zdolność do pracy przy szerokim kącie padania światła oraz przy niskim natężeniu

promieniowania - barwniki wykorzystywane do budowy ogniw DSSC mogą absorbować

światło rozproszone oraz promieniowanie fluorescencyjne. Ogniwo barwnikowe może

pracować bez znacznego obniżenia wydajności również przy zachmurzeniu czy słabym

oświetleniu, podczas gdy tradycyjne ogniwa zawodzą przy znacznym spadku natężenia

promieniowania. Dzięki temu DSSC mogą stanowić źródło prądu dla niewielkich urzą-

dzeń wewnątrz budynków. Dodatkowo, mogą one pracować pod wpływem promieniowa-

nia rozproszonego.

d) żywotność - w przeciwieństwie do ogniw z krzemu amorficznego, ogniwa DSSC nie

ulegają degradacji przy dużych natężeniach światła.

e) wytrzymałość mechaniczna - dzięki swojej budowie ogniwa DSSC są odporne na

uszkodzenia mechaniczne oraz niekorzystne warunki atmosferyczne, takie jak np. opady

gradu. Ponadto, ogniwa barwnikowe mogą być wytwarzane na podłożach elastycznych.

f) mniejsza ilość wytwarzanego CO2 podczas produkcji ogniwa barwnikowego - proces

produkcji barwnikowego ogniwa słonecznego charakteryzuje się znacznie mniejszą emi-

sją CO2 w porównaniu do wytwarzania ogniwa krzemo-wego. Emisja CO2 podczas całego

procesu produkcyjnego wynosi około 7 g CO2/kWh. Co ważne, wytwarzanie CO2 wystę-

puje tylko w trakcie procesu produkcji tych ogniw, zaś w trakcie użytkowania emisja jest

zerowa.

g) krótki okres zwrotu energii zużytej na wyprodukowanie pojedynczego modułu DSSC

(ang. Energy Payback Time). Wynosi on jedynie 0,3 roku. Dla porównania, dla ogniw

krzemowych czas ten oscyluje w granicach 2 lat w zależności od rodzaju (patrz Rys. 1).

Page 3: BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE · BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE Autorzy: Katarzyna Siuzdak, Maciej Klein, Kamil Łapiński, Adam Cenian ("Rynek Energii" - październik 2015) Słowa kluczowe:

Rys. 1. Porównanie czasu zwrotu energii różnych paneli [6-7]

h) możliwość zmiany koloru i przezroczystości -kontrolowanie koloru ogniwa i jego prze-

zroczystości jest możliwe dzięki wyborowi odpowiedniego barwnika oraz rozmiaru czą-

stek tlenku metalu wykorzystywanego do wytwarzania fotoelektrody. Współpraca między

naukowcami, a projektantami doprowadziła do opracowanie wielu interesujących kształ-

tów ogniwa. Powstały prototypy ogniw w formie m.in. liści, kwiatów czy wielokoloro-

wych witraży. Przezroczystość zwiększa dodatkowo pole zastosowań ogniwa DSSC

(okna, świetliki).

Poza wieloma zaletami, ogniwa DSSC mają również kilka wad. Główną wadą jest zastoso-

wanie ciekłego elektrolitu, który jest wrażliwy na warunki termiczne. W niskich temperatu-

rach, elektrolit może przejść do fazy stałej, co powoduje, znaczący spadek ruchliwości jonów

i w efekcie spadek wydajności ogniwa. W wysokich temperaturach elektrolit ciekły zwiększa

swoją objętość, co powoduje problem z uszczelnieniem urządzenia. Konieczne jest zatem

ograniczenie maksymalnej temperatury pracy ogniwa. Zmienna temperatura powoduje także

niestabilność potencjału ogniwa.

2. BARWNIKOWE OGNIWO – JAK TO JEST ZROBIONE?

2.1. Budowa i zasada działania

Konfiguracja i zasada działania ogniwa barwnikowe-go jest odmienna od konwencjonalnego

ogniwa PV - diody półprzewodnikowej. Ogniwo DSSC ma strukturę warstwową (tzw. kanap-

kową) i stanowi układ fotoelektrochemiczny z elektrolitem zawierającym redoksowy media-

tor - schemat budowy barwnikowego ogniwa fotowoltaicznego przedstawiono na rys. 2.

Szczególnie ważnym elementem całego układu jest porowata warstwa tlenkowa o grubości

Page 4: BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE · BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE Autorzy: Katarzyna Siuzdak, Maciej Klein, Kamil Łapiński, Adam Cenian ("Rynek Energii" - październik 2015) Słowa kluczowe:

kilku mikrometrów, która została naniesiona na półprzewodzące, transparentne podłoże (naj-

częściej jest to szkło pokryte cienką warstwa tlenku cyny domieszkowanego fluorem FTO)

[8].

Rys. 2. Schemat budowy barwnikowego ogniwa słonecznego

Najczęściej wykorzystywanym materiałem tlenko-wym jest dwutlenek tytanu (TiO2), chociaż

stosuje się również tlenek cynku (ZnO), niobu (Nb2O5) czy cyny (SnO2) [9] w formie mezo-

porowatej warstwy nanocząstek, nanorurek czy ich kompozytów [10]. Grubość warstwy tlen-

kowej oscyluje w granicach od 5 do 20 μm. Dwutlenek tytanu jest powszechnie stosowany ze

względu na swoje zalety: niską cenę, dostępność, nietoksyczność i biokompatybilność. Zna-

lazł on zastosowanie w takich dziedzinach jak wytwarzanie produktów ochrony zdrowia czy

produkcja farb.

Do powierzchni warstwy tlenkowej przyłączone są molekuły barwnika, tworząc wiązanie

między powierzchniową grupą hydroksylową TiO2, a ugrupowaniem karboksylowym w struk-

turze barwnika [11]. Barwniki stosowane w tego typu ogniwach powinny charakteryzować

się:

szerokim widmem absorpcji promieniowania słonecznego,

obecnością ugrupowań umożliwiających trwałe związanie z powierzchnią (m.in. -COOH,

-H2PO3, -SO3H),

wyższą energią wzbudzenia barwnika niż krawędź pasma przewodnictwa tlenkowego

półprzewodnika, tak by mógł zajść efektywny proces przeniesienia elektronu pomiędzy

wzbudzoną molekułą barwnika a pasmem przewodnictwa półprzewodnika,

niższym poziomem stanu podstawowego niż potencjał redoksowy elektrolitu, co zapewnia

regenerację barwnika,

odpornością na fotodegradację i fotokorozję,

stabilnością termiczną i elektrochemiczną.

Page 5: BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE · BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE Autorzy: Katarzyna Siuzdak, Maciej Klein, Kamil Łapiński, Adam Cenian ("Rynek Energii" - październik 2015) Słowa kluczowe:

Najczęściej wykorzystywanymi barwnikami są kompleksy rutenu, np. cis-diizotiocyjanian

bis(2,2’-bipirydylo-4,4’-dikarbonylo), rutenu (II) oznaczany w literaturze naukowej jako N3

oraz jego sól tetrabutyloamoniowa oznaczana jako N719 [11-12]. Ponadto stosuje się kom-

pleksy osmu, miedzi, irydu, żelaza a także porfiryny i ftalocyjaniany [13, 14-16].

Elektrolit wypełniający przestrzeń międzyelektrodo-wą to najczęściej bezwodny rozpuszczal-

nik z parą redoksową oraz substancjami wspomagającymi ruchliwość jonów (m.in. wielo-

ścienne nanorurki węglowe, tlenki polietylenu) [17].

Najczęściej wykorzystywaną parą redoksową jest I-/I3

- ale testowano również pary: Br

-/Br3

-,

SCN-/(SCN)3

- oraz SeCN

-/(SeCN)3

-.

Katodę stanowi warstwa katalityczna osadzona na podłożu FTO. Najczęściej stosowanym

materiałem katalitycznym jest platyna (Pt). Jednakże, ze względu na jej wysoką cenę oraz

dostępność, w ostatnim czasie, jako materiał katodowy zdolny do inicjacji procesu redukcji

jonów znajdujących się w elektrolicie proponuje się materiały węglowe, np. węgiel ekspan-

dowany, nanorurki węglowe czy grafen [18-22].

Zasada działania przedstawia się następująco [13]:

cząsteczki barwnika absorbują kwant promieniowania słonecznego, co prowadzi do prze-

niesienia elektronu ze stanu podstawowego So do stanu wzbudzonego barwnika S*,

następuje iniekcja elektronu do pasma przewodnictwa półprzewodnika,

jon I- prowadzi do redukcji stanu wzbudzonego molekuł barwnika z S

+ do S

o, jednocześnie

jon I-

zostaje utleniony do I3-,

odbywa się transport elektronu przez porowatą warstwę półprzewodnika do przewodzącej

elektrody,

przepływ elektronu przez obwód zewnętrzny ogniwa (obciążenie) do katody,

elektron jest przeniesiony z katody na jon I3-, wynikiem czego jon ten zostaje zredukowany

do formy I-.

Page 6: BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE · BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE Autorzy: Katarzyna Siuzdak, Maciej Klein, Kamil Łapiński, Adam Cenian ("Rynek Energii" - październik 2015) Słowa kluczowe:

Rys. 3. Schemat obrazujący zasadę działania ogniwa

Procesy fotoelektrochemiczne w ogniwie barwniko-wym można przedstawić za pomocą na-

stępujących reakcji:

a) wzbudzenia - (TiO2)|S + hν → (TiO2)|S* ,

gdzie (TiO2)|S oznacza barwnik w stanie podstawowym przyłączony do powierzchni war-

stwy tlenkowej (TiO2);

b) iniekcja elektronu - (TiO2)|S* → (TiO2)|S

+ +e

-(CB)

,

gdzie e-(CB) oznacza elektron w paśmie przewodnictwa półprzewodnika TiO2 ;

c) regeneracja barwnika - (TiO2)|2S+ + 3I

- → (TiO2)|2S + I3

- ;

d) redukcja jonu - I3- + 2e

-(Pt) → 3I

- ;

e) rekombinacja/reakcja ciemna - I3- + 2e

-(CB) → 3I

- ;

f) rekombinacja/reakcja ciemna - (TiO2)|S+ + e

-(CB) → (TiO2)|S .

Reakcje c) i d) dotyczą regeneracji barwnika na drodze utlenienia I- do I3

- oraz redukcji I3

- do

I- na powierzchni warstwy katalitycznej. Reakcja e) oraz reakcja f) odpowiadają procesom

rekombinacji (stracie foto- elektronów) zachodzącym w ogniwie - wpływają na ograniczenie

generowanego w ogniwie prądu.

Wydajność ogniwa jest także uzależniona od procesów przebiegających na granicy faz po-

między półprzewodzącym tlenkiem metalu, barwnikiem oraz elektrolitem. Na granicy faz

barwnik/tlenek metalu wymagane jest by potencjał wzbudzonego barwnika (najniższy nieob-

sadzony orbital molekularny, LUMO) był wystarczająco ujemny by iniekcja elektronu do

pasma przewodnictwa tlenku metalu była jak najbardziej efektywna. Podczas oświetlania

ogniwa molekuła barwnika przechodzi ze stanu podstawowego S do stanu wzbudzonego S*,

skutkiem czego elektron zostaje wzbudzony do poziomu LUMO. W konsekwencji, na granicy

faz barwnik/tlenek metalu powstaje gradient potencjału (ΔE) stanowiący siłę napędową dla

reakcji przeniesienia elektronu. Jego wartość określa różnica między położeniem stanu

Page 7: BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE · BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE Autorzy: Katarzyna Siuzdak, Maciej Klein, Kamil Łapiński, Adam Cenian ("Rynek Energii" - październik 2015) Słowa kluczowe:

LUMO a pasma przewodnictwa półprzewodnika. Tym samym, elektrony z poziomu LUMO

barwnika ulegają bezpromienistemu przejściu do pasma przewodnictwa tlenku metalu w cza-

sie rzędu setek femtosekund, co dalej prowadzi do utlenienia molekuły barwnika. Utleniony

barwnik jest następnie redukowany z powrotem do stanu podstawowego.

Rys. 4. Technika doctor blade (technika listwy zbierającej) – opracowano na podstawie [23]

2.2. Wytwarzanie

W przeciwieństwie do tradycyjnych ogniw krzemowych lub cienkowarstwowych ogniw II

generacji (np. CIGS), wytwarzanie barwnikowych ogniw słonecznych nie wymaga skompli-

kowanej aparatury ani kontrolowanych warunków atmosfery, co stanowi ich niezaprzeczalną

zaletę. Proces wytwarzania [24] rozpoczyna się od przygotowania półprzezroczystych podło-

ży przewodzących FTO. Poddawane są one standardowej procedurze oczyszczania przez za-

nurzenie kolejno w wodzie dejonizowanej, acetonie, etanolu i izopropanolu. W każdym z roz-

tworów szkła FTO przetrzymywane są przez ok. 15-20 min i poddane są działaniu ultradź-

więków. Następnie, na oczyszczone podłoże nakładana jest warstwa tlenkowa z pasty techni-

ką doctor blade (technika listwy zbierającej). W celu otrzymania pasty miesza się proszek

TiO2 z substan-cjami pomocniczymi, które nadają odpowiednią lepkość i stabilizują dysper-

sję, np. glikol etylenowy, monohydrat kwasu cytrynowego. Technika doctor blade polega na

przesuwaniu ze stałą prędkością ostrza umieszczonego na ustalonej wysokości po nałożonej

paście (rys. 4).

W efekcie, nakładana na podłoże pasta tworzy cienką warstwę rzędu kilku, kilkunastu mikro-

nów. Następnie warstwy trafiają do pieca, gdzie w temperaturze 400 – 500°C odbywa się pro-

ces kalcynacji, podczas którego usuwane są organiczne składniki pasty.

Rys. 5. Uproszczony schemat wytwarzania barwnikowego ogniwa słonecznego

Page 8: BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE · BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE Autorzy: Katarzyna Siuzdak, Maciej Klein, Kamil Łapiński, Adam Cenian ("Rynek Energii" - październik 2015) Słowa kluczowe:

Jak już wspomniano, katodę stanowi cienka warstwa katalityczna np. platyny bądź też mate-

riału węglowego naniesionego na podłoże FTO. Warstwy te nakłada się wieloma technikami,

m.in. z roztworu – przez naniesienie cienkiej warstwy roztworu kwasu H2PtCl6 i termiczną

dekompozycję w wysokiej temperaturze, poprzez osadzenie elektrochemiczne, poprzez napy-

lenie próżniowe bądź na drodze ablacji laserowej z blaszki Pt albo węglowej. Możliwe jest

także nanoszenie materiałów węglowych techniką druku czy pokrywania natryskowego (ang.

spray coating technique) wykorzystując odpowiednie tusze.

Przy użyciu termozgrzewalnej folii uszczelniającej, która pełni jednocześnie funkcję separato-

ra obu elektrod, przez połączenie anody oraz katody, powstają gotowe ogniwa. Przestrzeń

pomiędzy elektrodami wypełnia się elektrolitem. Elektrolit stanowi roztwór jodu i jodku w

rozpuszczalniku organicznym, np. acetonitryl, gdzie dodatkowo znajdują się substancje, które

mają wpływ na ruchliwość jonów.

2.3. Charakterystyka ogniw DSSC

W celu scharakteryzowania pracy barwnikowego ogniwa fotowoltaicznego wykorzystuje się

takie techniki jak pomiar charakterystyki prądowo-napięciowej (I-V), elektrochemiczną spek-

troskopię impedancyjną (EIS) oraz określenie procentowej sprawności przetwarzania padają-

cych fotonów w elektrony w warunkach ogniwa zwartego (IPCE) [25].

a) Charakterystyka prądowo-napięciowa (I-V) pozwala na wyznaczenie parametrów foto-

woltaicznych ogniwa DSSC:

napięcia obwodu otwartego (VOC, ang. open circuit voltage),

natężenia prądu zwarcia (ISC, ang. short circuit current),

współczynnika wypełnienia (FF, ang. fill factor),

punktu maksymalnej mocy (PMAX, ang. maximum power point) oraz

wydajności fotokonwersji (PCE, ang. photoconversion efficiency).

Pomiar odbywa się w standardowych warunkach testowych (ang. STC – standard test condi-

tions), w temperaturze 25°C, w oświetleniu o natężeniu 100 mW cm-2

o rozkładzie widmo-

wym energii AM1.5. Przykładową charakterystykę I-V obrazuje Rys. 6. Zakłada się, że stan-

dardowy potencjał redoksowy elektrolitu jest stały, a zatem VOC ogniwa również ma stałą

wartość. Jednakże, wartość VOC można kontrolować przez zmiany położenia pasma płaskiego

tlenków metali stosując np. kompozyty tlenkowe lub wprowadzając do struktury tlenku atomy

domieszki innych metali bądź niemetali.

Gęstość prądu zwarcia JSC definiuje się jako wygenerowany prąd w przełożeniu na jednostkę

powierzchni aktywnej ogniwa, kiedy napięcie przyłożone do ogniwa wynosi 0 V. Dla ideal-

nego ogniwa, ta maksymalna wartość prądu stanowi całkowity prąd wytworzony przez ogni-

Page 9: BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE · BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE Autorzy: Katarzyna Siuzdak, Maciej Klein, Kamil Łapiński, Adam Cenian ("Rynek Energii" - październik 2015) Słowa kluczowe:

wo podczas oświetlenia i zależy od wydajności procesu przeniesienia elektronu ze wzbudzo-

nej molekuły barwnika do pasma przewodnictwa półprzewodnika.

Rys. 6. Charakterystyka prądowo-napięciowa naświetlanego ogniwa fotowoltaicznego

oraz wykres zależności mocy ogniwa od przyłożonego napięcia

Współczynnik wypełnienia (FF) jest jednym z najważniejszych parametrów ogniwa i jest

definiowany jako stosunek mocy maksymalnej wygenerowanej w ogniwie do maksymalnej

mocy teoretycznej PT, równej iloczynowi VOC i ISC:

OCSC

MPMP

T

MAX

VJ

VJ

P

PFF

.

Im większa jest wartość FF, tym kształt charakterystyki prądowo-napięciowej jest coraz bliż-

szy kształtowi prostokąta. Zwykle wartość FF wynosi 0,6 do 0,85.

Wydajność fotokonwersji jest to iloraz wytworzonej mocy elektrycznej Pout oraz mocy świa-

tła padającego na ogniwo Pin. Wartość Pout może zostać wyrażona poprzez PMAX, wówczas

ogniwo fotowoltaiczne pracuje z maksymalną mocą oraz maksymalną wydajnością:

in

out

P

PPCE .

Moc światła padającego na ogniwo Pin może być wyrażona jako natężenie padającego pro-

mieniowania (W m-2

) lub w ‘słońcach’ (1000 W m-2

), odniesione do powierzchni aktywnej

ogniwa (m2).

Na wydajność maksymalną ogniwa (PMAX) podczas jego oświetlenia wpływa nie tylko sposób

konstrukcji urządzenia, ale również jego temperatura oraz natężenie i zakres spektralny pada-

jącego promieniowania. Z tego powodu, zalecane jest testowane ogniw w tych samych wa-

runkach oświetlenia i temperatury (STC).

b) Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna (EIS) jest metodą zmiennoprądową i

stanowi wszechstronne narzędzie analityczne pozwalające na badania kinetyki procesów elek-

Page 10: BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE · BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE Autorzy: Katarzyna Siuzdak, Maciej Klein, Kamil Łapiński, Adam Cenian ("Rynek Energii" - październik 2015) Słowa kluczowe:

trochemicznych i fotoelektrochemicznych. Metoda ta stosowana jest również w celu wyja-

śnienia szczególnie istotnych procesów jonowych i elektronowych, przebiegających w ogni-

wie barwnikowym.

Na rys. 7 przedstawiono przykładowe widmo impedancyjne (wykres Nyquist’a) ogniwa

barwnikowego wraz z modelem linii transmisyjnej, stanowiącym elektryczny obwód zastęp-

czy. Model linii transmisyjnej jest układem elektrycznym zbudowanym z rezystancji (R) i

pojemności (C). Rezystancja szeregowa: rezystancji warstwy FTO i rezystancji na granicy faz

FTO/warstwa tlenkowa oznaczona jest jako RS. RCO i CCO to odpowiednio rezystancja szere-

gowa oraz pojemność na granicy faz FTO/tlenek metalu. RTCO i CTCO to kolejno rezystancja

przeniesienia ładunku i pojemność warstwy podwójnej FTO/elektrolit. Rezystancja transportu

ładunku w warstwie tlenku metalu została oznaczona jako rt. Rezystancję przeniesienia ła-

dunku oznaczono jako rCT. Cμ jest chemiczną pojemnością warstwy tlenku metalu a Zd opisu-

je dyfuzję jonów w elektrolicie. RPt i CPt to odpowiednio rezystancja przeniesienia ładunku i

pojemność warstwy podwójnej szkła FTO z naniesioną katalityczną warstwą platynową.

Równowagowe procesy transportu elektronów przez warstwę tlenku metalu, dyfuzja jonów w

elektrolicie, chemiczna pojemność na granicy faz tlenek metalu/ elektrolit, pojemność war-

stwy podwójnej na granicy faz FTO/elektrolit oraz na elektrodzie FTO/Pt, mogą zostać wy-

znaczone przy użyciu techniki EIS.

Jak przedstawiono na Rys. 7, typowe widmo impedancyjne składa się z trzech półkoli. Pierw-

sze, zarejestrowane w zakresie wysokich częstotliwości, odpowiada procesom przebiegają-

cym na granicy faz elektroda FTO/Pt – elektrolit. Drugie półkole to odpowiedź od procesów

przebiegających w obrębie fotoelektrody a trzecie półkole, w obszarze niskich częstotliwości

jest związane z dyfuzją jonów w elektrolicie wypełniającym przestrzeń między elektrodami.

Rys. 7. Typowe widmo impedancyjne ogniwa DSSC (tzw. wykres Nyquist’a)

i jego elektryczny model zastępczy w postaci linii transmisyjnej [26]

Page 11: BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE · BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE Autorzy: Katarzyna Siuzdak, Maciej Klein, Kamil Łapiński, Adam Cenian ("Rynek Energii" - październik 2015) Słowa kluczowe:

c) Procentowa sprawność przetwarzania liczby padających fotonów w liczbę elektronów w

warunkach ogniwa zwartego (IPCE, ang. Incident Photon-to-Current Efficiency), nazywana

także zewnętrzną wydajnością kwantową (EQE, ang. External Quantum Efficiency) opisuje

zakres spektralny, w którym ogniwo efektywnie pracuje.

Jeśli wszystkie fotony przy danej długości fali zostaną zaabsorbowane przez warstwy ogniwa

fotowoltaicznego i następnie przetworzone na nośniki prądu elektrycznego to wydajność

kwantowa wynosi 100%. Wydajność generowania elektronów jest przedstawiana w formie

wykresu zależności wydajności od długości fali promieniowania padającego na ogniwo.

Pomiar IPCE polega na oświetlaniu ogniwa fotowoltaicznego wiązką promieniowania mono-

chromatycznego w warunkach napięcia obwodu otwartego. Iloraz prądu generowanego przez

ogniwo do mocy promieniowania daje odpowiedź ogniwa, która jest następnie przeliczana na

IPCE w oparciu o równanie:

inin

SC

P

chIIPCE

gdzie h jest stała Plancka, c jest prędkością światła w próżni, Pin jest mocą promieniowania

padającego na urządzenie o długości fali λ.

2.4. Innowacyjne zastosowania

Barwnikowe ogniwa fotowoltaiczne, podobnie jak inne ogniwa słoneczne, stanowią źródło

energii elektrycznej uzyskanej na drodze konwersji promieniowania słonecznego. Jednakże,

dzięki zastosowaniu różnych barwników oraz past tlenkowych itp. możliwe jest wytworzenie

nie tylko urządzenia, które spełnia funkcje użytkowe, ale też estetyczne [27]. Przykładowo

zastosowanie półprzezroczystych elektrod tlenkowych pozwala na konstrukcję ogniwa, które

częściowo przepuszcza promieniowanie słoneczne i może pełnić funkcję powierzchni przy-

ciemniającej. Wykorzystanie zaś różnego koloru barwników czy też elektrolitu pozwala na

kontrolę wyglądu ogniwa, co znalazło zastosowanie m.in. w konstrukcji lamp (Rys. 8).

Jedną z ciekawych aplikacji stanowi również wbudowanie takiego ogniwa do torby, dzięki

czemu można ładować podręczny sprzęt elektroniczny, jak laptop, komórka czy odtwarzacz

mp3.

Szerokie zastosowanie DSSC wiąże się również z budownictwem niskoenergetycznym,

szczególnie w technologii BIPV (ang. Building Integrated Photovoltaic) (Rys. 9) [28]. Sys-

temy BIPV, poza podstawową ich funkcją jaką jest przetwarzanie bezpośredniej lub rozpro-

szonej energii słonecznej na prąd elektryczny, charakteryzują się przede wszystkim możliwo-

Page 12: BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE · BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE Autorzy: Katarzyna Siuzdak, Maciej Klein, Kamil Łapiński, Adam Cenian ("Rynek Energii" - październik 2015) Słowa kluczowe:

ścią wkomponowania w fasadę budynku. Można je stosować zarówno jako materiały budow-

lane jak i elementy architektoniczne, wykorzystując jako fasady, balustrady czy zadaszenia.

Rys. 8. Od lewej: półprzezroczyste ogniwo barwnikowe; lampa z obudową z barwnikowego ogniwa fotowolta-

icznego; torba z wbudowanym ogniwem barwnikowym [7]

Zaletą stosowania BIPV w stosunku do BAPV (ang. Building Attached Photovoltaics) jest

możliwość zoptymalizowania wykorzystania wolnej powierzchni budynku oraz ograniczenie

zastosowania tradycyjnych materiałów budowlanych (np. stosowanie dachówek fotowoltaicz-

nych). W celu zoptymalizowania dostępnej powierzchni budynku stosuję się także moduły

półprzezroczyste częściowo przepuszczające promienie słoneczne do wnętrza budynku (rys.

10).

Rys. 9. Zastosowanie DSSC w technologii BIPV

(Fraunhofer ISE) [7]

Ogniwa barwnikowe są obustronnie aktywne, zarówno przy świetle rozproszonym, jak i odbi-

tym.

Z uwagi na fakt, że są w dużej mierze przejrzyste (patrz rys. 10), można je montować w po-

mieszczeniach jako przejrzyste ścianki albo jako świetliki dachowe. Co ciekawe, sprawdzają

się również w miejscach częściowo zacienionych, w przedsionkach czy wiatrołapach. Prze-

zroczyste ogniwa barwnikowe stanowiące szklaną fasadę budynku o dowolnym kolorze peł-

Page 13: BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE · BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE Autorzy: Katarzyna Siuzdak, Maciej Klein, Kamil Łapiński, Adam Cenian ("Rynek Energii" - październik 2015) Słowa kluczowe:

nią dwie dodatkowe funkcje: produkują energię elektryczną oraz wprowadzają wewnątrz bu-

dynku naturalne zacienienie (Rys. 11).

Rys. 10. Zastosowanie DSSC w technologii BIPV

(Fraunhofer ISE) [7]

Rys. 11. Fasada wykonana z ogniw barwnikowych

- budynek Swiss Tech Convention Center w Lozannie, Szwajcaria

2.5. Badania i rozwój w zakresie barwnikowych ogniw fotowoltaicznych

W wielu ośrodkach naukowych prowadzi się badania w zakresie wytwarzania i charaktery-

styki nowych materiałów (m.in. barwników, substancji do sporządzania elektrolitu), rozwią-

zań konstrukcyjnych czy aplikacji [27]. W Europie zaawansowane badania nad komercjaliza-

cją technologii DSSC są prowadzone w Energy Research Centre of the Netherlands (ECN),

Fraunhofer Institute of Solar Energy Systems (Fraunhofer ISE), G24 Innovation, 3G Solar,

Solaronix S.A. Oprócz instytutów w Europie zachodniej, zaawansowane badania prowadzone

są także w laboratoriach Japońskich: Aisin Seiki Co. LTD, Toyota Central R&D Laboratories,

Fujikura LTD, Peccell Technologies, Inc., Sharp Co. LTD, Sony Co. LTD, Koreańskich: Ko-

rean Institute of Science and Technology (KIST), Electronic and Telecommunications Re-

search Institute (ETRI), Samsung SDI; czy w Australii: Dyesol.

Page 14: BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE · BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE Autorzy: Katarzyna Siuzdak, Maciej Klein, Kamil Łapiński, Adam Cenian ("Rynek Energii" - październik 2015) Słowa kluczowe:

W laboratoriach Ośrodka Techniki Plazmowej i Laserowej IMP PAN prowadzi się badania w

zakresie wykorzystania promieniowania laserowego do wytwarzania nowych materiałów

funkcjonalnych oraz modyfikacji istniejących materiałów czy kompozytów [29-31].

W celu uzyskania półprzezroczystych warstw stosuje się technikę osadzania za pomocą im-

pulsów lasera. Technika ta umożliwia otrzymywanie bardzo cienkich warstw (od kilku nano-

metrów grubości) na różnego rodzaju podłożach. Wykorzystywane jest tu zjawisko ablacji

laserowej, które skutkuje odparowaniem materiału w wyniku absorpcji wysokoenergetyczne-

go promieniowania laserowego. Tak wygenerowaną „chmurę” materiału osadza się na podło-

żu otrzymując cienką warstwę. Zaletą powyższej metody jest duża łatwość modyfikacji po-

szczególnych parametrów procesu, co przekłada się na ostateczne właściwości otrzymywanej

warstwy. Wadą natomiast jest ograniczenie procesu zazwyczaj do małej powierzchni, co

praktycznie dyskwalifikuje tę metodę w wielkopowierzchniowych zastosowaniach przemy-

słowych.

Istotnym problemem DSSC jest rezystancja wewnętrzna ogniwa wynikająca ze złego fizycz-

nego kontaktu elementów składowych ogniwa. Badania wykazały, że największy wpływ na

całkowitą rezystancję ogniwa ma rezystancja złącza podłoże przewodzące/porowata elektro-

da. Niekorzystnym procesem podczas pracy DSSC jest rekombinacja ładunków zachodząca

na styku podłoże przewodzące/porowata elektroda. Proces ten jest związany z fizycznym kon-

taktem podłoża przewodzącego z porowatą elektrodą. Agregacja nanocząstek tworzących

elektrodę oraz silnie chropowata powierzchnia przewodzącego podłoża sprawiają, że trudno

jest je pokryć warstwą nanocząstek (porównaj rys. 12). W efekcie na złączu podłoże przewo-

dzące/porowata warstwa powstaje rezystancja, która stanowi znaczną część całkowitej rezy-

stancji ogniwa.

Rys. 12. Wpływ spawania laserowego na poprawę kontaktu na granicy:

przewodząca elektroda-porowata warstwa tlenkowa [32]

W celu zwiększenia przepływającego prądu przez opisane powyżej złącze, należy zwiększyć

kontakt pomiędzy porowatą warstwą a elektrodą przewodzącą, co może znacznie poprawić

sprawność. Jednym ze sposobów redukcji rezystancji tego złącza jest proces tzw. spawania

laserowego [32-33]. Metoda ta polega na naświetlaniu wiązką promieniowania lasera impul-

sowego przygotowanych fotoelektrod, od strony szklanego podłoża (rys. 12). Długość fali

promieniowania laserowego jest tak dobrana, aby maksimum absorpcji przypadało na war-

stwę półprzewodnika. Badania przeprowadzone w IMP PAN wskazują, że po zastosowaniu

Page 15: BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE · BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE Autorzy: Katarzyna Siuzdak, Maciej Klein, Kamil Łapiński, Adam Cenian ("Rynek Energii" - październik 2015) Słowa kluczowe:

spawania laserowego zaobserwowano wzrost sprawności ogniwa o prawie 40% w zależności

od zastosowanych materiałów.

3. PODSUMOWANIE

Przedstawione powyżej informacje dotyczące ogniw barwnikowych pokazują nowe możliwo-

ści aplikacyjne dla fotowoltaiki. Co prawda ogniwa te w dalszym ciągu wykazują sprawność

niższą od konkurencyjnych ogniw krzemowych, jednakże ogromna ilość prac prowadzona w

obszarze fotowoltaiki trzeciej generacji powoduje jej dynamiczny rozwój, przekładający się

na znaczny wzrost wydajności ogniw obserwowany w ostatnich latach. Niekwestionowaną

zaletą ogniw barwnikowych jest sam proces ich wytwarzania, który poprzez brak konieczno-

ści posiadania pomieszczeń o wysokiej czystości (tzw. clean room) oraz niską energochłon-

ność, jest znacznie tańszy niż w przypadku ogniw pierwszej i drugiej generacji. Zarówno z

ekonomicznego jak i ekologicznego punktu widzenia instalacje fotowoltaiczne są w stanie

znacząco wpłynąć na polski rynek energetyczny. Szczególnie rynek energetyki rozproszonej,

opartej na odnawialnych źródłach energii, gdzie ogniwa barwnikowe w technologii BIPV

znajdują szerokie zastosowanie.

LITERATURA

[1] Boschloo G., Hagfeldt, A.: Characteristics of the iodide/triiodide redox mediator in dye-

sensitized solar cells, Acc. Chem. Res., 2009, vol. 42, str. 1819-18726.

[2] Mathew S., Yella A., Gao P., Humphry-Baker R., Curchod B.F.E., Ashari-Astani N.,

Tavernelli I., Rothlisberger U., Nazeeruddin Md. K., Grätzel M.: Dye-sensitized solar

cells with 13% efficiency achieved through the molecular engineering of porphyrin sensi-

tizers, Nature Chem., 2014, vol. 6, str. 242-247.

[3] Mehmood U., Rahman S., Harrabi K., Hussein I.A., Reddy B.V.S.: Recent Advances in

Dye sensitized Soalr Cells, Adv. Mater. Sci Energ., 2014, vol. 2014, ID: 974782

[4] Jena A., Mohanty S.P., Kumar P., Naduvath J., Gondane V., Lekha P., Das J., Narula

H.K., Mallick S., Bargava P.: Dye Sensitized Soalr Cells: a Review, Trans Indian Ceram.

Soc., 2012, vol.71, str. 1-16

[5] Bella F., Gerbaldi C., Barolo C., Gratzel M.: Aqueous dye-sensitized solar cells, Chem.

Soc. Rev., 2015, vol. 44, str. 3431-3473.

[6] Carmi H., Nachtigal T., Rottenberg A., Schreuer N.: The Country of Tie Dye, Copenha-

gen Competition, 2014, str. 15-19.

Page 16: BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE · BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE Autorzy: Katarzyna Siuzdak, Maciej Klein, Kamil Łapiński, Adam Cenian ("Rynek Energii" - październik 2015) Słowa kluczowe:

[7] Feigenson M., Breen B.: Cost and Life Cycle Analysis of the Dye-Sensitized Solar Cell

Final Report, zadanie 26, 6, materiały nieopublikowane, 2011.

[8] O’Regan B., Grätzel M.: A low-cost, high efficiency solar cell based on dye sensitized

colloidal TiO2 films, Nature, 1991, vol. 353, str. 737–739.

[9] Hagfeldt A., Grätzel M.: Light-Induced Redox Reactions in Nanocrystalline Systems,

Chem. Rev. 1995, vol. 95, str. 49-68.

[10] Law M., Greene L.E., Johnson J.C., Saykally R., Yang P.: Nanowire dye-sensitized solar

cells, Nature Materials, 2005, vol. 4, str. 455-459.

[11] Hagfeldt A., Grätzel M.: Molecular Photovoltaics, Acc. Chem. Res. 2000, vol. 33, str.

269-277.

[12] M.K., Pechy P., Grätzel M.: Efficient panchromatic sensitization of nanocrystalline TiO2

films by a black dye based on a trithiocyanato-ruthenium complex, J. Chem. Comm.

1997, nr. 1705

[13] Hagfeldt A., Boschloo G., Su L., Kloo L., Pettersson H.: Dye-Sensitized Solar Cells,

Chem. Rev. 2010, vol. 110, str. 6595.

[14] Ferrere S., Gregg B.A.: Photosensitization of TiO2 by [FeII(2,2‘-bipyridine-4,4‘-

dicarboxylic acid)2(CN)2]:  Band Selective Electron Injection from Ultra-Short-Lived

Excited States,J. Am. Chem. Soc. 1998, vol. 120, str. 834-844.

[15] Alebbi M, Bignozzi C. A., Heimer T.A., Hasselmann G.M., Meyer G.J.: The Limiting

Role of Iodide Oxidation in cis-Os(dcb)2(CN)2/TiO2 Photoelectrochemical Cells, J.

Phys. Chem. B, 1998, vol. 102, str. 7577-7581.

[16] Mayo E.I., Kilsa K., Tirrell T. , Djurovich P.I., Tamayo A., Thompson M.E., Lewisb S.,

Gray H.B.: Cyclometalated iridium(III)-sensitized titanium dioxide solar cells,

Photochem. Photobiol. Sci., 2006, vol. 5, str. 871–873.

[17] Wolfbauer G., Bond A. M., Eklund J. C., MacFarlane D. R.: A channel flow cell system

specifically designed to test the efficiency of redox shuttles in dye sensitized solar cells,

Sol. Energ. Mat. Sol. C. 2001, vol. 70, str. 85-101.

[18] Kay A., Grätzel M.: Low cost photovoltaic modules based on dye sensitized

nanocrystalline titanium dioxide and carbon powder. Sol. Energ. Mat. Sol. C. 1996, vol.

44 str. 99–117.

Page 17: BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE · BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE Autorzy: Katarzyna Siuzdak, Maciej Klein, Kamil Łapiński, Adam Cenian ("Rynek Energii" - październik 2015) Słowa kluczowe:

[19] Imoto K., Takahashi K., Yamaguchi T., Komura T., Nakamura J., Murata K.: High-

performance carbon counter electrode for dye sensitized solar cells, Sol. Energ. Mat. Sol.

C. 2003, vol. 79, str. 449-458.

[20] Acharya K.P., Khatri H., Marsillac S., Ullrich B., Anzenbacher P., Zamkov M.: Pulsed

laser deposition of graphite counter electrodes for dye-sensitized solar cells, Appl. Phys.

Lett. 2010, vol. 97, str. 201108-3.

[21] Huang Z., Liu X., Li K., Luo Y., Li H., Song W., Chen L., Meng Q.: Application of car-

bon materials as counter electrodes of dye-sensitized solar cells, Electrochem. Comm.

2007, vol. 9, str. 596-598.

[22] Zhu H., Zeng H., Subramanian V., Masarapu C., Hung K., Wei B.: Anthocyanin-

sensitized solar cells using carbon nanotube films as counter electrodes, Nanotechnolo-

gy, 2008, vol. 19, str. 465204.

[23] Chen K., Yeh H., Chen H., Liu T., Huang S., Wu P., Tiu C.: Optical-Electronic Proper-

ties of Carbon-Nanotubes Based Transparent Conducting Films, Advances in Chemical

Engineering and Science, 2013, vol. 3, str. 105-111.

[24] Ito S., How To Make High-Efficiency Dye-Sensitized Solar Cells, w: Kalyanasundaram

K., Dye-sensitized Solar Cells, EPFL Press, Lausanne (Switzerland), str. 251-266.

[25] Godlewski J.: Wstep do elektroniki molekularnej, Wydawnictwo Politechniki Gdanskiej,

2008

[26] Fabregat-Santiago F., Bisquert J., Garcia-Belmonte G., Boschloo G., Hagfeldt A.: Influ-

ence of electrolyte in transport and recombination in dye-sensitized solar cells studied by

impedance spectroscopy, Sol. Energ. Mat. Sol. C. 2005, vol. 87, str. 117-131.

[27] Kalyanasundararn K., Ito S., Yanagida S., Uchida S.: Scale-up and Product-Development

Studies of Dye-Sensitized Solar Cells in Asia and Europe, w: Kalyanasundaram K., Dye-

sensitized Solar Cells, EPFL Press, Lausanne (Switzerland), str. 267-280.

[28] Jelle B.P., Breivik C., Røkenes H.D.: Building integrated photovoltaic products: A state-

of-the-art review and future research opportunities, Sol. Energ. Mat. Sol. C. 2012, vol.

100, str. 69-96.Siuzdak K., Klein M., Szkoda M.: Badania i rozwój technologii ogniw

PV, Czysta Energia, 2014, vol. 12.2014.

[29] Siuzdak K., Klein M., Szkoda M.: Badania i rozwój technologii ogniw PV, Czysta Ener-

gia, 2014, vol.2014.

[30] Siuzdak K., Górski M., Klein M., Cenian A.: Technologie solarne w IMP PAN w

Gdańsku, Czysta Energia, 2012, vol. 06.2012.

Page 18: BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE · BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE Autorzy: Katarzyna Siuzdak, Maciej Klein, Kamil Łapiński, Adam Cenian ("Rynek Energii" - październik 2015) Słowa kluczowe:

[31] Siuzdak K., Górski M., Klein M.,Cenian A.: Fotowoltaika w Instytucie Maszyn

Przepływowych PAN, Magazyn Fotowoltaika, 2012, vol. 06.2012.

[32] Klein M., Siuzdak K., Barbucha R., Sawczak M.: Zastosowanie lasera femto -

sekundowego do modyfikacji fotoelektrody TiO2 w barwnikowym ogniwie

fotowoltaicznym, Elektronika - Konstrukcje, Technologie, Zastosowania, 2013, vol. 5.

[33] Klein M., Sawczak M., Barbucha R., Zalas M.: Badanie wpływu spawania laserowego

złącza TiO2:FTO na rezystancję wewnętrzną oraz sprawność ogniwa słonecznego

uczulonego barwnikiem, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, 2012, vol. 283,

Budownictwo i inżynieria środowiska, z. 59 (2/2012/II)

DYE-SENSITIZED SOLAR CELLS

Key words: photovoltaic cells, photoconversion efficiency, metaloorganic dye, titanium dioxide

Summary. This paper studies color photovoltaic cells – their construction, manufacture, characteristics and

application. Color photovoltaic cells are third generation cells, using a non-silicon technology based on new

functional materials, such as nanoparticles of metals, metal oxides and conductive polymers. In comparison to

typical silicon cells, color photovoltaic cells don’t require a very clean atmosphere and the ability to control the

color or transparency of a photovoltaic cell allows for a wide range of applications: as shadowing surfaces,

building fronts or decorative parts.

Katarzyna Siuzdak, dr inż., adiunkt w Zakładzie Fizycznych Aspektów Ekoenergii IMP

PAN, dwa lata temu z wyróżnieniem obroniła pracę doktorską na Wydziale Chemicznym

Politechniki Gdańskiej, a obecnie kieruje projektem Sonata: „Modyfikacja położenia pasm

energetycznych elementów organiczno nieorganicznego złącza p-n i jej wpływ na wydajność

fotokonwersji”, [email protected]

Maciej Klein, mgr inż., doktorant na Wydziale Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej

Politechniki Gdańskiej, asystent w Zakładzie Fizycznych Aspektów Ekoenergii IMP PAN,

laureat nagrody „Czerwonej Róży” dla najlepszego studenta Pomorza a obecnie kierownik

prestiżowego Diamentowego Grantu: „Laserowa modyfikacja warstw tlenkowych w barwni-

kowym ogniwie fotowoltaicznym”, [email protected]

Kamil Łapiński, mgr inż., doktorant Wydziału Nauk Technicznych Uniwersytetu Warmiń-

sko-Mazurskiego w Olsztynie, specjalista w Zakładzie Fizycznych Aspektów Ekoenergii IMP

PAN w Gdańsku, [email protected]

Adam Cenian, dr hab. inż., Kierownik Zakładu Fizycznych Aspektów Ekoenergii IMP PAN,

[email protected]