Создано новое поколение стабилизированных красителями солнечных батарей [dye-sensitised solar cell (DSSC)] – в них традиционный для солнечных батарей жидкий электролит заменен твердым неорганическим материалом с электронно-дырочной проводимостью.

Солнечные батареи нового типа демонстрируют эффективность, сравнимую с эффективностью классических DSSC, при этом ожидается, что они будут более надежные и простые в изготовлении. Возможно, что новая система приведет к появлению фотогальванических элементов нового поколения.

В обычных DSSC, названных в честь их изобретателя ячейками Гретцеля (Grätzel cells), перенос электронов между электродами происходит за счет жидкого электролита, который, однако, может улетучиваться, вызывать коррозию материалов, что понижает стабильность солнечных ячеек.

Длительное время исследователи считали, что

решить проблему устойчивости солнечных ячеек может замена жидкого электролита на твердый, и даже было создано несколько систем, в которых роль твердого электролита играли полимерные материалы и неорганические кристаллы, однако они демонстрировали крайне низкую эффективность, и, более того, их производительность со временем падала.

Меркири Канацидис (Mercouri Kanatzidis), профессор неорганической химии из Северо-западного Университета Чикаго решил использовать для создания солнечных ячеек принципиально новую стратегию. Исследователи решили заменить окислительно-восстановительную пару, обычно использующуюся в ячейках классического типа на новый материал, в котором дырки, образующиеся при возбуждении светом, перемещаются к электроду непосредственно, без окислительно-восстановительных реакций.

Рис. 1. Схематическое изображение полностью
твердой неорганической сенсибилизированной
красителем солнечной ячейки, в составе которой
присутствует полупроводник CsSnI3. (Рисунок из
Nature, 2012, DOI:10.1038/nature11067).

Этот материал представляет собой недорогой полупроводник e p-типа: смешанный йодид олова-цезия (CsSnI₃), легированный фторид-ионом. Соединение CsSnI₃ хорошо растворяется в большинстве полярных органических растворителей, таких как ацетонитрил и диметилформамид. Растворимость CsSnI₃ позволяет получать новые солнечные ячейки за счет переноса раствора смешанного йодида на подложку из диоксида титана с последующим испарением растворителя, что позволяет достичь очень тесного контакта между CsSnI₃ и пористым TiO₂. Красителем для ячейки нового типа был традиционный для DSSC бипиридильный комплекс рутения под коммерческим названием N719. Все это, по словам Канацидиса, позволит легко коммерциализовать методику получения солнечных ячеек нового типа.

Коэффициент полезного действия полученных солнечных ячеек, измеренный в стандартных условиях оценки эффективности солнечных ячеек, составляет 8.5%. Это значение не так сильно отличается от КПД обычных ячеек Гретцеля, обычно их эффективность составляет 10–12%. Тем ене менее, разработанные Канацидисом солнечные ячейки могут поглощать свет в более широкой области спектра, включая ближний ИК.

Нейл Робертсон (Neil Robertson), специалист по DSSC из Университета Эдинбурга говорит о системе Канацидиса, как перспективном направлении в исследовании солнечных ячеек, поскольку новая концепция позволяет надеяться на получение более устойчивых и долговечных солнечных ячеек.