Существует множество типов солнечных элементов. Хотя в настоящее время наиболее распространёнными являются солнечные элементы на основе монокристаллического кремния, их изготовление является довольно дорогим и срок службы их ограничен, что заставляет разрабатывать новые типы преобразователей солнечной энергии в электрическую. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния (a-Si:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники.
Органические материалы занимают особое место среди солнечных элементов. В частности, КПД солнечных элементов на основе нанокристаллов диоксида титана, покрытых органическим красителем, весьма высок – ~11 %. Немаловажно, что подложками в таких элементах могут выступать полимерные пленки. Основа солнечных элементов данного типа – широкозонный полупроводник, обычно TiO2, покрытый монослоем органического красителя, как правило - цис-(NCS)2бис(4,4'-дикарбокси-2,2'-бипиридил)рутения (II) (рисунок 24).
Рис.24. Схема солнечного элемента на основе органического красителя
Фотоэлектрод такого устройства представляет собой нанопористую пленку TiO2 толщиной 1 мкм, осажденную на ТСО на стекле. Отражающим электродом служит тонкий слой Pt, осажденный на TCO на стекле. Пространство между двумя электродами заполняют электролитом, обычно содержащим иодид/трииодид (I-/I3-). Принцип работы элемента основан на фотовозбуждении красителя и быстрой инжекции электрона в зону проводимости TiO2. При этом молекула красителя окисляется, через элемент идет электрический ток и на платиновом электроде происходит восстановление трииодида до иодида. Затем иодид проходит через электролит к фотоэлектроду, где восстанавливает окисленный краситель. Схемы химических реакций, протекающих в данном солнечном элементе, следующие:
Краситель + hn → Краситель*;
Краситель* + TiO2 → e-(TiO2) + Окисленный краситель;
Окисленный краситель +3/2 I- → Краситель +1/2 I3-;
1/2 I3- +e-(противоположный электрод) → 3/2 I-
В качестве красителей в этом элементе можно использовать различные органические вещества, которые хорошо взаимодействуют с поверхностью наночастиц TiO2 и легко отдают электроны при облучении солнечным светом, поглощают в широком спектральном диапазоне и обладают высокой устойчивостью в окисленном состоянии. Такими свойствами обладают цис-X2бис(4,4'-дикарбокси-2,2'-бипиридил)рутения (II) (где X=Cl-, Br-, I-, CN-, SCN-), производные хлорофилла, порфирины, антоцианы (на рис. 25 показан комплекс, образующийся при координации антоциана на поверхности TiO2) и др.
Фотосенсибилизация широкозонных полупроводников, таких как TiO2, абсорбирующимися красителями приобрела практическую значимость после открытия пористых плёнок с очень высокой удельной поверхностью. Только первый монослой абсорбированного красителя приводит к эффективному электронному переносу от красителя в полупроводник, но светопоглощающая эффективность одного монослоя красителя очень мала.
Рис.25. Комплекс, образующийся при координации антоциана c Ti+2 на поверхности TiO2
В пористой плёнке, состоящей из наноразмерных частиц TiO2, эффективная поверхность увеличивается в 1000 раз, что делает эффективным поглощение света даже одним монослоем красителя. Природа фактически использует похожий способ увеличения поглощательной способности хлорофилл-содержащих тилакоидных мембран хлоропластов, формируя граны.
Доказано, что Ru-бипиридиниевые комплексы являются наиболее эффективными фотосенсибилизаторами TiO2 в солнечных элементах, благодаря наличию у них способности поглощать в широком спектральном диапозоне сочетающейся с подходящими фотоэлектрохимическими свойствами и высокой устойчивостью в окисленном состоянии. Тем не менее, другие красители, такие как Zn-тетракарбоксифенилпорфирин или кумарин, также используются [1].
При выполнении данной работы будет изготовлен солнечный элемент с использованием натурального антоцианового красителя, выделенного из листьев цитрусовых, и наночастиц диоксида титана – широкозонного полупроводника, хорошо взаимодействующего с антоцианами. Солнечные элементы на основе светочувствительных красителей – это искусственные наноустройства, основанные на принципах, сходных с процессами натурального фотосинтеза. В обоих случаях используется органический краситель для поглощения света и выделения возбужденных электронов. Пленка из взаимосвязанных наноразмерных частиц диоксида титана как заместителя НАДФ+ и диоксида углерода как электронного акцептора, а йодид и трийодид заменяет воду и кислород как электронный донор и продукт окисления соответственно. Аналогично тому, как в биосфере протекают процессы биосинтеза и дыхания, так и электрохимические процессы, протекающие под действием света в нанокристаллических солнечных элементах, являются возобновляемыми и образуют закрытые циклы, которые превращают энергию в полезные формы.