Nowe spojrzenie na ogniwa słoneczne
DSSC cieszą się ogromnym zainteresowaniem jako obiecująca alternatywa dla tradycyjnych krzemowych ogniw słonecznych, przede wszystkich dlatego, że materiały, z jakich są zbudowane, są tańsze, a ich produkcja odbywa się w ramach względnie nieskomplikowanych procesów wytwórczych. Ogniwa te składają się z fotosensybilizowanej anody z tlenku tytanu (TiO2) (pokrytej molekularnym barwnikiem absorbującym światło słoneczne), ciekłego elektrolitu i metalicznej katody. Biorąc pod uwagę fakt, że prąd fotoelektryczny jest zależny od nanomateriałów barwnikowych, wyjaśnienie i kontrola ich międzyfazowej aktywności są niezbędne dla zwiększenia wydajności konwersji fotoelektrycznej. W ramach wspieranego ze środków UE projektu POLYMAP (Mapping and manipulating interfacial charge transfer in polymer nanostructures for photovoltaic applications) badacze wyjaśnili związek między aktywnością elektrochemiczną lub elektrokatalityczną materiałów i zmian w ich morfologii występujących na powierzchniach fazowych elektrody w DSSC. Wykorzystując nową wysokorozdzielczą technikę elektrochemicznych sond skanujących, skaningową mikroskopię elektrochemiczną (SECCM), naukowcy przezwyciężyli wyzwania związane z badaniem nanostrukturalnych materiałów elektrodowych. Poprzez oświetlenie elektrod i wykorzystanie SECCM, z powodzeniem stworzyli mapę o submikrometrowej rozdzielczości wahań w zakresie aktywności fotoelektrochemicznej agregatów TiO2 pokrytych barwnikiem. Dzięki modulowaniu intensywnością światła zespołowi udało się zbadać procesy strat, które ograniczają wydajność konwersji. Biorąc pod uwagę ich fundamentalną rolę w mechanizmach transportu ładunku, prace skierowano ku przygotowaniu i przeprowadzeniu charakterystyki elektrochemicznej polimerów sprzężonych, których grubość mieściła się w zakresie od 5 do 500 nm. Po umieszczeniu ich pod mikroskopem, badacze zaobserwowali wahania w aktywności elektrochemicznej głównie dlatego, że warstwy elektroaktywne były heterogeniczne. Połączywszy SECCM z mikroskopią sił atomowych i mikrospektroskopią ramanowską, zespół odkrył związek między strukturą a reaktywnością warstw organicznych z osadem elektrolitycznym. Odkryto, że inne materiały zwiększające prędkość reakcji chemicznej, nanorurki węglowe, są elektroaktywne na całej swojej długości, natomiast ich morfologia wpływa na ich reaktywność. Badacze wykazali także, że nieskażone, pozbawione wad nanorurki węglowe są równie skutecznymi elektrokatalizatorami co złoto. Odkrycie to ma ważne następstwa, zwłaszcza w kontekście produkcji nadtlenku wodoru do użycia w roli paliwa. Na koniec nanocząsteczki tlenku irydu, starannie zbadane jako katalizatory do rozszczepiania wody, zademonstrowały godne uwagi zmiany w aktywności elektrokatalitycznej jako funkcję potencjału elektrody. Wyniki projektu pozwalają uzyskać nowe spojrzenie na urządzenia fotowoltaiczne w nanoskali, ostatecznie umożliwiając projektowanie ulepszonych DSSC.
Słowa kluczowe
Barwnikowe ogniwo słoneczne, wydajność konwersji, elektrochemiczny, działanie elektrokatalityczne, skaningowa mikroskopia elektrochemiczna
