Кобальтовый электролит для высокоэффективных ячеек Гретцеля. Энергетика.

К сожалению, фотовольтаика продолжает оставаться дорогой технологией; более или менее дешёвой альтернативой традиционным полупроводниковым солнечным батареям являются цветосенсибилизированные солнечные батареи, или ячейки Гретцеля. 

Их открыли в 1991 году, а основаны они на использовании в качестве светопоглощающего вещества (вместо привычного полупроводникового материала вроде кремния) органического красителя. В последнее время получила популярность идея создания на основе ячеек Гретцеля тандемных устройств, состоящих из традиционной цветосенсибилизированной солнечной батареи n-типа (электронная проводимость) и батареи p-типа (дырочная проводимость). 

В журнале Angewandte Chemie австралийские и немецкие учёные сообщили о значительном увеличении эффективности цветосенсибилизированной солнечной батареи p-типа, использующей электролит на основе комплекса кобальта с органическим лигандом.

Обновлённые ячейки Гретцеля используют в качестве электролита комплекс кобальта. (Иллюстрация Wiley-VCH.)

Обычная цветосенсибилизированная солнечная батарея n-типа использует краситель и фотоанод, суть положительный электрод, покрытый полупроводником электронного типа, таким как диоксид титана. Под лучами солнца молекулы красителя переходят в возбуждённое состояние и передают электроны с валентного HOMO-уровня полупроводнику. Молекулы электролита, свободно двигающиеся в этой системе между отдельными её участниками, восстанавливают краситель, передавая ему электроны с противоположного электрода. В случае же ячейки p-типа процесс протекает как бы в противоположную сторону: специальный краситель и полупроводник p-типа находятся теперь на фотокатоде. Активируемый светом краситель стягивает электроны с валентного уровня полупроводника р-типа, такого как оксид никеля, на свой самый нижний незанятый молекулярный уровень LUMO. Затем молекулы электролита забирают лишние электроны с красителя и передают их противоположному электроду. 

Самый многообещающий подход, позволяющий значительно увеличить эффективность солнечных батарей на основе ячеек Гретцеля, заключается в объединении обоих типов ячеек (n и p) в тандемное устройство. Однако, несмотря на некоторый прогресс, эффективность ячеек р-типа до сих пор много хуже показателей моделей n-типа (лучшее достижение которых равно 10%). Исследователям из Университета Монаша (Австралия) и их коллегам из Ульмского университета (Германия) удалось значительно улучшить эффективность конверсии солнечного света в ячейке р-типа, которая теперь составляет рекордные 1,3% при напряжении в разомкнутой цепи до 709 мВ. 

Они добились этого за счёт замены традиционного электролита на основе йодидов и трийодидов на хорошо известный комплекс кобальта трис(этилендиамин)кобальт(II)/(III), в котором кобальт может переключаться между состояниями окисления +2 и +3. Основным достоинством такой системы назван значительно более низкий окислительно-восстановительный потенциал. В результате напряжение в разомкнутой цепи, представляющее собой критический параметр любой солнечной батареи, удвоилось. Эффективность энергетической конверсии достигла рекордного уровня в 1,3% против максимальных 0,41% в системах с традиционным электролитом. Кроме того, ячейки Гретцеля р-типа с кобальтовым электролитом показывают очень неплохую эффективность в условиях диффузного света, характерного для облачного дня.