برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۷/۲۱ تا ۱۳۹۷/۰۷/۲۷

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۵,۲۴۲
  • بازدید این ماه ۶۶
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۵۴
  • قبول شدگان ۳۵
  • شرکت کنندگان یکتا ۳۳
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۶۷
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

مقالات منتخب ماهنامه نانو

نویسندگان
امتیاز کاربران

انقلابی نوین در سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای

1. مقدمه
پیشرفت‌های اخیر در زمینه طراحی رنگدانه و الکترولیت در سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای منجر به ثبت رکورد جدید بازده تبدیل انرژی در این نوع سلول‌ها شده است. رنگدانه‌های دهنده - پی- گیرنده (donor-pi-acceptor) نسبت به رنگدانه‌های تجاری موجود برپایه روتینیوم جاذب نور بسیار قوی‌تری هستند و این امکان را فراهم می‌کنند تا لایه‌های نازک‌تر فوتوالکترود بتوانند بخش قابل توجهی از نور مرئی را جذب کنند. روش‌های متفاوت به ‌تله ‌انداختن نور نیز جزء راهکارهایی محسوب می‌شوند که در نهایت منجر به بهبود جذب نور در لایه‌های نازک می‌شوند. الکترولیت‌های جدید شامل یون‌های اکساینده-کاهنده بر پایه کبالت امکان تولید ولتاژ مدار باز بیشتر را فراهم کرده و منجربه دست‌یابی به رکورد جدید 12/3 درصد بازده سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای شده‌اند. استفاده از سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای برپایه الکترولیت جامد، که از مواد انتقال‌دهنده حفره ساخته شده‌اند، باعث افزایش ولتاژ مدار باز (open circuit voltage) شده و نیز فرآیند ساخت را برای تجاری‌سازی مناسب‌تر می‌کند. مهندسی دقیق سطح مشترک بین اکسید تیتانیوم و الکترولیت جامد برپایه مواد انتقال‌دهنده حفره صورت گرفته است؛ به این ترتیب، میزان بازترکیب حامل‌های بار کاهش یافته که در نهایت منجر به افزایش جریان نوری و نیز بهبود ولتاژ مدار باز می‌شود. ترکیب این راهکارها نویدبخش دست‌یابی به سلول‌های خورشیدی با بازده و پایداری بیشتر است و امکان تجاری‌سازی این محصولات را در مقیاس بزرگ فراهم می‌کند.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل ۱. طرحواره و نحوه عملکرد سلول خورشیدی رنگدانه‌ای: الف) سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای با الکترولیت مایع متشکل از زیرلایه شفاف هادی (شیشه رونشانی‌شده با اکسید قلع آلاییده‌شده با فلوئور)، فوتوآند نانوذره‌ای (مانند اکسید تیتانیوم)، رنگدانه، الکترولیت انتقال‌دهنده حفره، شیشه رسانای پوشیده‌شده با پلاتین. ب) ترازهای انرژی و نحوه عملکرد سلول خورشیدی رنگدانه‌ای. رنگدانه فوتون را جذب می‌کند و الکترون آن به تراز هدایت اکسید فلز و از آن‌جا به الکترود مقابل منتقل می‌شود؛ رنگدانه اکسیدشده با الکترولیت احیا می‌شود و یون‌های داخل الکترولیت با الکترون‌های الکترود مقابل احیا می‌شوند تا مدار کامل شود. ولتاژ مدار باز برابر است با اختلاف تراز فرمی اکسید تیتانیوم و پتانسیل اکسایش - کاهش الکترولیت.

جذابیت سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای به این دلیل است که این نوع سلول‌ها عمدتاً از مواد ارزان‌قیمت ساخته شده‌اند، مواد به کار رفته در آن‌ها معمولاً نیاز به خالص‌سازی تا درجات بالای خلوص را ندارد، و با هزینه اندک قابلیت چاپ‌شدن دارند. ویژگی منحصربه‌فرد سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای در مقایسه با سایر انواع سلول‌های خورشیدی این است که فرآیندهای انتقال الکترون و جذب نور و انتقال حفره هر کدام در بخش مجزایی از سلول صورت می‌گیرد؛ رنگدانه در این نوع سلول خورشیدی به یک ماده نیمه‌هادی با گاف انرژی بزرگ مانند اکسید تیتانیوم و اکسید قلع و یا اکسید روی متصل است. زمانی که رنگدانه نور را جذب می‌کند، فوتوالکترون تحریک‌شده سریعا به تراز هدایت نیمه‌هادی و از آن‌جا به الکترود مقابل منتقل می‌شود. از سوی دیگر، زوج اکساینده-کاهنده، که معمولاً متشکل از زوج یدید و تری‌یدید هستند، رنگدانه اکسیدشده را احیا می‌کنند و به حالت خنثی برمی‌گردانند؛ در نهایت، بار مثبت به الکترود مقابل، که عمدتاً شیشه رسانای رونشانی‌شده با پلاتین است، منتقل می‌شود.
در سال ۱۹۹۱، «ارگان» و «گرتزل» بیان کردند که فیلم نانوذره‌ای اکسید تیتانیوم در یک سلول خورشیدی رنگدانه‌ای می‌تواند نقش یک فوتوآند متخلخل نوع n را بازی کند و در نتیجه، سطح قابل دسترس برای اتصال رنگدانه تا هزار برابر افزایش می‌یابد. دست‌یابی به این نوع فوتوالکترود به‌طرز چشم‌گیری میزان جذب نور را بهبود داد و با افزایش بازده تبدیل انرژی در محدوده مناسب، سبب شد تا سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای به‌عنوان رقیب جدی برای سایر فناوری‌های سلول خورشیدی درآیند.
شکل ۱ با نشان‌دادن طرحواره و ترازهای انرژی‌ نحوه عملکرد یک سلول خورشیدی رنگدانه‌ای را نشان می‌دهد. در دهه ۱۹۹۰ و آغاز سال ۲۰۰۰، محققان دریافتند که ترکیبات آلی - فلز برپایه روتینیوم منجر به تولید بیشترین مقدار بازده تبدیل انرژی می‌شود. زوج یدید - تری‌یدید در الکترولیت به‌عنوان موثرترین زوج اکساینده/کاهنده شناخته شد. بازده تبدیل انرژی در اواخر سال ۱۹۹۰، به‌سرعت به مقدار ده درصد رسید و پس از آن، با رشد نسبتاً کند به بیشینه بازده 11/5 درصد رسید. شکل ۲ نشان‌دهنده منحنی جریان - ولتاژ سلول خورشیدی در تابش معادل نور خورشید به همراه بازده کوانتومی خارجی سلول تابعی از طول موج فوتون است. موفقیت عملکرد زوج یدید/تری‌یدید در الکترولیت سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای به این دلیل است که سنیتیک برگشت الکترون‌ها از الکترود اکسید تیتانیوم با رنگدانه اکسید شده و تری‌یدید در الکترولیت کند است؛ این امر باعث طول عمر بیشتر الکترون‌ها (بین ۱ میلی‌ثانیه تا ۱ ثانیه) در فوتوالکترود می‌شود. گونه یدید در الکترولیت منجر به احیای رنگدانه اکسید شده می‌شود و یدید در این فرآیند به یک گونه یونی میانی (مانند رادیکال-.I2) تبدیل می‌شود. پس از آن، این گونه یونی تبدیل به تری‌یدید می‌شود و به سمت الکترود شمارنده نفوذ می‌کند. در آن‌جا -همان‌طور که درشکل۱-ب نشان داده شده است - با هر مولکول تری‌یدید دو الکترون به الکترود مقابل منتقل می‌شود.
بازترکیب کند الکترون‌ها از نیمه‌هادی با الکترولیت و نرخ سریع احیای رنگدانه اکسید شده به‌وسیله گونه‌های اکساینده - کاهنده (یدید - تری‌یدید) باعث می‌شود تا بازده کوانتومی داخلی برای تعداد زیاد رنگدانه‌ها تقریباً ۱ باشد؛ این امر سبب افزایش بازده کوانتومی خارجی در این سلول‌ها می‌شود. هم‌چنین ابعاد کوچک گونه‌های اکساینده - کاهنده (یدید - تری‌یدید) در الکترولیت این امکان را فراهم می‌کند که سرعت نفوذ آن‌ها در تخلخل‌های فوتوالکترود سریع باشد. در نتیجه، درغلظت‌های مشخص از گونه‌ها در الکترولیت امکان عبور جریان‌های زیاد از الکترود وجود خواهد داشت. با وجود این، الکترولیت‌های بر پایه یدید - تری‌یدید خورنده هستند و بسیاری از انواع مواد به کارگرفته‌شده در سلول مانند اتصالات داخلی فلزی، نقره‌ای، مسی، آلومینیومی، طلا، و نیز سایر مواد لازم برای بستن سلول را حل خواهند کرد.

2. دست‌یابی به بیشینه بازده تبدیل انرژی در سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای
محاسبات نشان می‌دهد که بیشینه بازده تبدیل انرژی از سلول‌های خورشیدی تک‌اتصالی (مانندp-n) برابر با ۳۲ درصد است؛ این مقدار به حد shockley-Queisser معروف است. برای سلول‌های خورشیدی غیرآلی با بازدهی زیاد وجود پتانسیل اتلافی داخلی علت اصلی انحراف از این مقدار ایده‌آل است. پتانسیل اتلافی داخلی به‌معنای اختلاف بین گاف انرژی اپتیکی ماده نیمه‌هادی فعال و ولتاژ مدار باز سلول است. به‌عنوان مثال، بیشینه بازده ۲۵ درصدی از سلول‌های خورشیدی سیلیکونی مربوط به پتانسیل اتلافی داخلی در حدود ۴۰۰ میلی‌ولت است. این در حالی است که رکورد بازده 28/1 درصدی از سلول‌های خورشیدی بر پایه گالیوم ارسنیک مربوط سلولی با پتانسیل اتلافی داخلی ۳۰۰ میلی‌ولت است. برخلاف سلول‌های خورشیدی غیرآلی، سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای اغلب نیاز به اضافه - پتانسیل (over-potential) برای تزریق الکترون به اکسید تیتانیوم و احیای دوباره رنگدانه اکسید شده دارند (شکل ۱ب).به این دلیل، عمدتاً میزان اتلاف پتانسیل در این‌گونه سلول‌های خورشیدی به ‌نسبت زیاد است. این مقدار بیش از ۷۰۰ میلی‌ولت نیست و در نتیجه، کمینه گاف انرژی رنگدانه و نیز مقدار لبه جذب رنگدانه‌های مصرفی را محدود می‌سازد. منحنی بیشینه بازده قابل دسترس وابسته به پتانسیل اتلافی و لبه جذب رنگدانه در شکل ۳ نشان داده شده است. به‌طور معمول، مقداری اختلاف پتانسیل بین پایین‌ترین تراز پر نشده (LUMO) رنگدانه و تراز هدایت اکسید تیتانیوم لازم است تا تزریق الکترون به ‌طور موثری صورت گیرد. اندازه این اختلاف پتانسیل کاملا مشخص نشده است، اما مقدار لازم معمولاً بین ۱۰۰ تا ۱۵۰ میلی‌ولت است. این مقدار به‌‌طور معمول خیلی کمتر از اضافه - پتانسیل برای احیای رنگدانه اکسیدشده به‌وسیله گونه‌های داخل الکترولیت است. احیای رنگدانه روتینیومی با گونه‌های اکسانیده - کاهنده یدید - تری‌یدید معمولاً با پتانسیل اتلافی در حدود ۶۰۰ میلی‌ولت صورت می‌گیرد؛ در این میان ۳۰۰ میلی‌ولت از این مقدار به‌‌طور مستقیم مربوط به واکنش‌های میانی در الکترولیت‌های یدی است. تخمین زده می‌شود که کمینه پتانسیل اتلافی ۷۵۰ میلی‌ولت در سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای بر پایه الکترولیت یدی و رنگدانه روتینیومی لازم است. این مقدار پتانسیل اتلافی بیشینه بازده تبدیل انرژی را در اینگونه سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای به بیشینه نظری 13/8 درصد محدود می‌کند (شکل۳).
دو راهکار کلی برای افزایش بازده سلول‌های خورشیدی وجود دارد. این دو راهکار عبارتند از افزایش محدوده جذب نور تا مادون قرمز، و نیز کاهش پتانسیل اتلافی الکترولیت و در نتیجه، افزایش ولتاژ مدار باز. استفاده‌ از رنگدانه‌ای با لبه جذب ۹۴۰ نانومتر که بتواند تا محدوده مادون قرمز نزدیک را جذب کند و در عین حال، قابلیت تولید و جمع‌آوری حامل‌های بار را به‌طور موثر داشته باشد می‌تواند منجر به افزایش جریان تا بیش از ۴۰ درصد شود (شکل۳).افزایش بیشتر بازده سلول‌های خورشیدی بیشتر از ۱۴ درصد مستلزم به کارگیری رنگدانه‌های اصلاح‌شده و نیز الکترولیت‌های مناسب‌تر با پتانسیل اتلافی کمتر و انتقال موثرتر بارها است. استفاده از الکترولیت‌های شامل ترکیبات اکساینده - کاهنده بر پایه ترکیبات کبالت و فروسین دو مزیت عمده نسبت به الکترولیت‌های یدی مرسوم دارد. مزیت اول: انتقال تک‌الکترونی در این نوع الکترولیت‌ها باعث می‌شود تا مراحل میانی واکنش یون‌های اکساینده - کاهنده حذف شود و این مساله به کاهش اتلاف پتانسیل می‌انجامد. مزیت دوم این نوع الکترولیت‌ها این است: برخلاف الکترولیت‌های یدی که پتانسیل ایده‌آل اکسایش احیا را ندارند (0/35 تا0/40 الکترون‌ولت نسبت به الکترود هیدروژن نرمال)، یون‌های اکساینده - کاهنده در این نوع الکترولیت‌ها می‌توانند به گونه‌ای باشند که پتانسیل الکتروشیمیایی الکترولیت تا حد امکان به بالاترین تراز اشغال‌شده رنگدانه (HOMO) نزدیک باشد و به این ترتیب، بیشترین مقدار ولتاژ مدار باز قابل حصول از سلول‌های خورشیدی به دست آید.

filereader.php?p1=main_fbfba2e45c2045dc5

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل ۲. بهترین نوع سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای: الف) بازده کوانتومی خارجی بر حسب طول موج. ب) نمودارهای مشخصه ولتاژ - جریان برای رنگدانه‌های مختلف، رنگدانه روتینیومی (CYC-B11) در الکترولیت یدی، حساس‌شده با دو رنگدانه دهنده - پی-گیرنده (YD2-o-C8 و Y123) در الکترولیت کبالت، رنگدانه Y123 در الکترولیت جامد spiro-OMeTAD. افزایش محدوده جذب تا منطقه مادون‌قرمزمنجر به افزایش جریان نوری از ۲۰ میلی‌آمپر تا ۳۰ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع شده است. ج) ساختار شیمیایی رنگدانه‌هایی با بهترین عملکرد. د) ساختار شیمیایی الکترولیت‌های مورد استفاده در سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای

با وجود این‌که سال‌های زیادی است که این مشکلات حل نشده باقی‌مانده، دستاوردهای جدید در این زمینه باعث افزایش رکورد بازده سلول‌های خورشیدی شده است. در طول ۱۵ سال گذشته، تلاش‌های زیادی برای تحقیق و بهبود درک فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی مربوط به سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای انجام گرفته است. در این مقاله به برخی از نو‌آوری‌‌های مهمی که اخیراً در این زمینه صورت گرفته است اشاره خواهد شد؛ انتظار می‌رود با این نو‌آوری‌ها در آینده نزدیک، از سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای بازده بیشتر از ۱۵ درصد حاصل شود.

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل ۳. بیشینه تئوری بازده تبدیل انرژی بر حسب لبه جذب رنگدانه در پتانسیل‌های اتلافی متفاوت. در این مدل فرض می‌شود که بازده کوانتومی خارجی ۹۰ درصد باشد و در ۵۰ نانومتر از لبه جذب به بیشینه مقدار برسد. ضریب پرشدگی 0/75 درنظرگرفته ‌شده است.

3. رنگدانه‌های جاذب قوی نوع دهنده - پی- گیرنده
حسگرهای رنگدانه‌ای در سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای به سطح الکترود اکسید فلزی نوع n اتصال دارند. میزان جذب نور در یک رنگدانه، یا ضریب جذب مولی رنگدانه، به میزان پوشش سطح الکترود و نیز سطح موثرکلی فیلم اکسیدی بستگی دارد. مولکول‌های رنگدانه معمولاً به سطح اکسید تیتانیوم به‌صورت یک تکه‌لایه جذب می‌شوند، به‌طوری که چگالی سطحی آن در حدود نیم تا یک درصد رنگدانه به‌ازای هر نانومتر مربع از رنگدانه است. یک مولکول رنگدانه از بخش‌های متفاوتی تشکیل شده است. این بخش‌ها شامل گونه جذب‌کننده نور، لیگاندهای اسیدی، به‌عنوان مثال، اسید کربو کسیل و اسیدفسفریک، برای اتصال به سطح نیمه‌هادی و لیگاندهایی برای افزایش حلالیت در حلال و کاهش تجمع مولکول‌های رنگدانه هستند. تجمع مولکول‌های رنگدانه وقتی اتفاق می‌افتند که مولکول‌ها آن‌قدر به هم نزدیک شوند تا تابع موج الکترون‌ها در آن‌ها با یکدیگر هم‌پوشانی بیابد، به‌گونه‌ای که مشخصه ترازهای الکترونی رنگدانه تغییر کند؛ این امر سبب می‌شود تا الکترون و حفره در رنگدانه‌های تحریک‌شده قبل از انتقال الکترونی به نیمه‌هادی، با هم باز ترکیب شوند و اصطلاحا، رنگدانه خاموش شود. حسگرهای رنگدانه‌ای مرسوم مانند N3 ،N719 C106، و CYCB11 بر پایه ترکیبات روتینیوم هستند. این رنگدانه‌ها عمدتاً دارای پهنای جذب زیاد (تقریباً۳۵۰ نانومتر) و ضریب خاموشی به‌نسبت کم (۱۰.۰۰۰ تا ۲۰.۰۰۰ بر مول بر سانتی‌متر) هستند. همچنین این رنگدانه‌ها دارای ضریب جذب بسیار ضعیف در لبه جذب‌شان (در حدود ۷۸۰ نانومتر) هستند. این مساله باعث محدودیت جذب در محدوده مادون قرمز نزدیک می‌شود. رنگدانه‌های بر پایه ترکیبات روتینیوم به‌خوبی کار می‌کنند و در دو دهه گذشته، به‌طورگسترده‌ای مورد استفاده قرار گرفته‌اند؛ با وجود این، به‌نظرمی‌رسد که بهبود طراحی رنگدانه، و نیز حذف فلزات گران‌قیمت مانند روتینیوم از ساختار رنگدانه، برای افزایش بازده لازم است. در غیر این‌صورت، به‌دلیل محدودیت‌های مربوط به منابع روتینیوم، ممکن است در تولیدات بزرگ مقیاس بیشتر از ۱۹ گیگا‌وات در سال تنگناهایی ایجاد شود. رنگدانه‌های آلی معمولاً دارای ضریب خاموشی بیشتری نسبت به رنگدانه‌های روتینیومی هستند (بین ۵۰.۰۰۰ تا ۲۰۰.۰۰۰ بر مول بر سانتی‌متر). با این حال، پهنای جذب این نوع رنگدانه‌ها باریک است (۱۰۰ تا ۲۵۰ نانومتر). در چند سال گذشته، تلاش‌های زیادی برای فهم و طراحی رنگدانه‌های جدید در سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای صورت گرفته است. بهترین رنگدانه‌ها شامل مناطق پراز الکترون (دهنده) و مناطق خالی از الکترون (گیرنده) هستند که با یک پل (pi) به هم متصل شده‌اند. منطقه خالی از الکترون با یک گروه اسیدی عامل‌دار می‌شود و این باعث پیوند مولکول به سطح اکسید خواهد شد. تحریک نوری سبب می‌شود تا انتقال خالص الکترون از منطقه دهنده به منطقه گیرنده صورت گیرد. در این منطقه تابع موج الکترون با تراز هدایت اکسید تیتانیوم جفت می‌شود. این درحالی است که تابع موج حفره مولکول باید تا حد ممکن دور از سطح اکسید باشد تا بتواند با گونه‌های اکساینده - کاهنده داخل الکترولیت برهم‌کنش داشته باشند. زنجیره الکلی معمولاً به یک بخش رنگدانه متصل هستند تا انرژی برای حفره‌های داخل الکترولیت و الکترون‌های داخل اکسید تیتانیوم ایجاد کنند و در نتیجه، نرخ بازترکیب کاهش یابد.

4. به کارگیری گونه‌های اکساینده –کاهنده جدید برای دست‌یابی به ولتاژهای بالاتر
تاکنون، دانشمندان الکترولیت‌های شامل گونه‌های اکساینده - کاهنده متنوعی ساخته‌اند که هم نسبت به الکترولیت‌های یونی موجود کمتر خورنده هستند و هم پتانسیل مناسب‌تری برای دست‌یابی به ولتاژ مدار باز بیشتر‌ دارند؛ با این‌همه، نرخ بازترکیب بسیار زیاد الکترون‌های داخل نیمه‌هادی با این نوع الکترولیت‌ها منجر شده که سلول‌های خورشیدی بر پایه این نوع الکترولیت‌ها غالباً عملکردهای ضعیف و بازده‌های کمتر از ۵ درصد داشته باشند. با وجود این، اخیراً، موفقیت‌هایی در زمینه به‌کارگیری یون‌های کبالت (Co2+/Co+3)، فروسیانید (Fc+/Fc)، مس، و نیز الکترولیت‌های تمام‌آلی صورت گرفته و بازدهی‌های قابل قبول از این نوع سلول‌ها به دست آمده است. در گذشته، نرخ بازترکیب الکترون‌ها در الکترولیت‌های بر پایه کبالت (Co2+/Co+3) حداقل یک ‌مرتبه بزرگی بیشتر از الکترولیت‌های یدی بود. گونه‌های I-/I-3 در الکترولیت سیستم‌های بر پایه عناصر هستند؛ این در حالی است که یون‌های Co+2 و Co+3 با لیگاندهایی در اطراف‌شان احاطه شده‌اند. این لیگاندها می‌تواند سبب اصلاح پتانسیل اکسایش - کاهش شود. گروه‌های توپی بر روی این لیگاندها می‌تواند به‌عنوان فضای عایق عمل کند و در نتیجه، نرخ بازترکیب الکترون‌های موجود در اکسید تیتانیوم و الکترولیت کاهش می‌یابد. در سال ۲۰۱۰، Boschloo و همکاران او نشان دادند که افزودن این گروه‌های توپی به رنگدانه‌های آلی می‌تواند سبب افزایش بازده الکترولیت‌های بر پایه کبالت شود. در حقیقت، این گروه‌های عایق بر روی رنگدانه‌های آلی به لحاظ فضایی فاصله ایجاد می‌کنند، طوری که نرخ بازترکیب الکترون‌ها در اکسید تیتانیوم با الکترولیت به اندازه یک واحد بزرگی کاهش پیدا می‌کنند. به‌تازگی، Gratzel و همکاران او از این دستاورد بهره برده‌اند و از لیگاندهای عایق در رنگدانه دهنده - پی - پذیرنده YD2-o-C8 با پهنای طیفی مناسب استفاده کرده‌اند. با بهره‌گیری از این رنگدانه، نرخ بازترکیب کاهش یافت و بازده سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای در مقیاس آزمایشگاهی به 12/3 درصد رسید. عملکرد بهتر این سلول‌ها به دلیل افزایش ۱۶ درصدی در ولتاژ مدار باز در الکترولیت‌های بر پایه کبالت نسبت به الکترولیت‌های یدی است. این افزایش اهمیت اصلاح مکان تراز اکسایش - کاهش الکترولیت را نشان می‌دهد. رنگدانه به کار گرفته‌شده دارای لبه جذب در ۷۲۵ نانومتر و پتانسیل اتلافی ۷۷۵ میلی‌ولت بوده است. به بیان کوتاه، می‌توان گفت که با بهره‌گیری از رنگدانه‌ای با لبه جذب در ۸۳۰ نانومتر می‌توان بدون تغییر عمده‌ای بازده سلول خورشیدی را تا 13/6 درصد افزایش داد. در این حالت اضافه - پتانسیل۳۹۰ میلی‌ولت برای احیای دوباره رنگدانه و دست‌یابی به بازده کوانتومی خارجی ۸۰ درصد و بیشتر کافی است. با درنظر گرفتن پتانسیل اتلافی۵۰۰ میلی‌ولت، با فرض ۱۰۰ میلی‌ولت اضافه - پتانسیل برای انتقال الکترون از رنگدانه، و با بهره‌گیری از رنگدانه‌ای با لبه جذب ۹۲۰ نانومتر می‌توان بازده سیستم‌های بر پایه کبالت را تا ۱۹ درصد افزایش داد. یکی از مسائل مربوط به بهره‌گیری از الکترولیت‌های بر پایه کبالت آن است که به دلیل وجود گروه‌های توپی، گروه‌های اکساینده - کاهنده دارای سرعت نفوذ نسبتاً کمی در الکترولیت هستند؛ این مقدار تا یک مرتبه بزرگی کمتر از الکترولیت‌های یدی است. Gratzel و همکارانش دریافتند که با کاهش شدت نور می‌توان بازده این نوع سلول‌ها را تا 13/11 درصد افزایش داد. این به این دلیل است که مساله نفوذ یون‌ها در الکترولیت در جریان‌های الکتریکی سلول دارای اهمیت کمتری است. بنابراین، می‌توان انتظار داشت که با به‌کارگیری فیلم‌های با ضخامت کمتر بتوان در نور معادل شدت نور خورشید نیز به همین بازده رسید. در ادامه این مقاله در مورد روش‌های جدید برای کاهش بازترکیب و دست‌یابی به میزان قابل قبول از جذب نور در فیلم‌های نازک اشاره خواهد شد.
تاکنون، مطالعات جامع ‌‌‌در زمینه پایداری بلندمدت سلول‌های خورشیدی بر پایه الکترولیت کبالت صورت نگرفته است. پایداری این سلول‌های خورشیدی مستلزم آن است که ترکیبات کبالت تغییرات غیر برگشت‌پذیر در الکترود مقابل نداشته و پایداری مشابه و حتی بهتری نسبت به الکترولیت‌های یدی داشته باشند.

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل ۴. نحوه عملکرد سلول خورشیدی رنگدانه‌ای با به‌کارگیری رنگدانه بازپخشی: الف) رنگدانه تاخیری در داخل الکترولیت مایع پخش شده است. ب) رنگدانه تاخیری به‌طور هم‌زمان با رنگدانه اصلی بر روی سطح اکسید تیتانیوم قرار گرفته است. فرآیند کلی در سلول خورشیدی به این صورت است که نور به‌وسیله‌ی رنگدانه جذب می‌شود و الکترون آن به اکسید تیتانیوم انتقال می‌یابد. در این نوع سلول رنگدانه بازپخشی نور را در انرژی‌های بیشتر جذب می‌کند، انرژی با پدیده FÖrster به رنگدانه اصلی منتقل می‌شود و در آنجا جدایش بار صورت می‌گیرد.

5. سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای جامد
در سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای جامد به‌جای استفاده از الکترولیت‌های مایع، از مواد هادی حفره استفاده می‌شود. ماده هادی حفره نوعاً از مولکول‌های کوچک با گاف انرژی بزرگ مانند Spiro-OMETAD یا پلیمرهای نیمه‌هادی مانند PEDOT و P3HT تشکیل شده‌ است. از آن‌جایی‌که در این نوع سلول‌های خورشیدی از الکترولیت‌های مایع خورنده استفاده نمی‌شود، فرآیندهای بستن سلول ساده‌تر است و انتظار می‌رود این نوع سلول‌های خورشیدی از لحاظ تجاری گزینه مناسب‌تری باشند. تاکنون، بیشترین مقدار ولتاژ مدار باز (بیشتر از یک ولت) از سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای جامد با الکترولیت‌های بر پایه مولکول‌های کوچک حاصل شده‌است. در یک سلول‌ خورشیدی رنگدانه‌ای جامد انتقال حفره مستقیماً از رنگدانه اکسید شده صورت می‌گیرد؛ حفره از بالاترین تراز اشغال‌شده (HOMO) الکترولیت جامد عبور کرده و به الکترود شمارنده (معمولاً نقره) منتقل می‌شود. احیای مجدد رنگدانه به‌طور معمول از مرتبه ده تا چند صد پیکوثانیه است. این مقدار چندین برابر سریع‌تر از احیای مجدد رنگدانه در الکترولیت‌های بر پایه یدید / تری‌یدید است. به نظر می‌رسد که اضافه - پتانسیل در حد ۲۰۰ میلی‌ولت هم برای احیای رنگدانه کافی باشد. براساس منحنی‌های شکل ۳، کاسته‌شدن اضافه - پتانسیل تا این حد می‌تواند منجر به افزایش بازده تبدیل انرژی تا ۲۰ درصد شود (در این حالت نیز فرض می‌شود که اضافه - پتانسیل برای انتقال الکترون از رنگدانه به الکترود ۱۰۰ میلی ولت است). با وجود این‌که در سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای جامد ابتدایی از مولکول‌های کوچک به‌عنوان الکترولیت استفاده شده بود، بازده‌های به‌دست‌آمده کمتر از ۱ درصد بود. تحقیقاتی که به‌تازگی صورت گرفته است منجر به آن شده که بیشینه بازده 7/1 درصد از این سلول‌ها به‌دست آید. نرخ بالای بازترکیب الکترون‌ها و نیز دشواری نفوذ الکترولیت جامد در الکترودهای ضخیم سبب شده است که سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای بر پایه الکترولیت‌های جامد در ضخامت‌های چندمیکرونی و نازک‌تر از حد معمول بهتر کار کنند. چالش بزرگ‌تری که این نوع سلول‌های خورشیدی با آن روبه‌رو هستند این است که ضخامت کمتر فوتو- آند در این سلول‌ها سبب می‌شود تا نور به‌طور کامل جذب نشود، و این امر منجر به کاهش بازده کوانتومی داخلی و نیز چگالی جریان کمتر در مقایسه با سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای با الکترولیت مایع می‌شود (شکل ۲، سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای جامد بر پایه الکترولیت Spiro-OMETAD و رنگدانه Y123).
عوامل زیادی وجود دارند که می‌توانند بر بازترکیب الکترون‌های تراز هدایت اکسید تیتانیوم و حفره‌های موجود در الکترولیت هادی حفره تاثیرگذار باشند. زمانی‌که سلول در معرض نور خورشید قرار می‌گیرد، بیشترین چگالی حفره در نزدیک سطح اکسید تیتانیوم حساس‌شده به رنگ است. روش‌های پوشش باری که معمولاً در الکترولیت‌های مایع استفاده می‌شوند در این‌جا چندان کارساز نیست. به‌همین دلیل، نرخ بازترکیب الکترون‌ها در الکترولیت‌های جامد معمولاً چندمرتبه سریع‌تر از الکترولیت‌های مایع بر پایه یدید / تری‌یدید است. بازترکیب در سلول‌های خورشیدی جامد با مهندسی سطح اکسید تیتانیوم و مخلوط‌‌ کردن الکترولیت با افزودنی‌های یونی اصلاح می‌شود. افزودن آلاینده‌های نوع P به الکترولیت عموماً می‌تواند سبب افزایش ولتاژ مدار باز و ضریب پرشدگی الکترولیت شود. الکترولیت‌های جامد انتقال‌دهنده حفره معمولاً با روش‌‌های بر پایه حلال رونشانی می‌شوند. با وجود این، ضریب پرشدگی الکترولیت در داخل الکترود متخلخل هرگز کامل نمی‌شود و با تبخیر حلال، جای خالی آن در ساختار باقی می‌ماند. ضریب پرشدگی به‌معنای نسبتی از حجم محیط متخلخل است که با الکترولیت هادی حفره پرمی‌شود. با به کارگیری مولکول‌های کوچک هادی حفره در الکترولیت می‌توان ضریب پرشدگی را بین ۶۰ تا ۸۰ درصد، به‌طور یکنواخت، در ضخامت فیلم افزایش داد. پوشش‌دهی یک‌نواخت سطح اکسید فلز/ رنگدانه با الکترولیت جامد برای اطمینان از جدایش موثر بار و جمع‌آوری مفید آن نکته‌ای بسیار حائز اهمیت است. به‌طور تخمینی، می‌توان گفت پرشدگی حدود ۵۰ درصد لازم است تا مطمئن باشیم یک تک‌لایه از الکترولیت هادی حفره روی سطح اکسید فلز/ رنگدانه وجود دارد. بهره‌گیری از الکترولیت‌های هادی در حالت مذاب راهکاری بسیار مهم برای کاهش نرخ بازترکیب و بهینه‌سازی ضریب پرشدگی در الکترود است. به کارگیری رنگدانه‌های نوع گیرنده - پی - دهنده در سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای جامد می‌تواند به شکل قابل توجهی باعث افزایش جذب نور شود. در این حالت امکان جذب مقادیر قابل توجهی نور در فیلم‌های با ضخامت ۲ میکرومتر نیز وجود دارد. به‌تازگی، کنترل دقیق در میزان آلاییده‌کردن الکترولیت جامد حامل حفره بر پایه مولکول‌های کوچک و به کارگیری رنگدانه‌های دهنده - پی - گیرنده منجر به تولید سلول خورشیدی رنگدانه‌ای جامد با بازده بیشتر از ۷ درصد شده است.
روش دیگر بهینه‌سازی جذب نور در سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای جامد استفاده از پلیمرهای جاذب نور به‌عنوان الکترولیت‌های هادی حفره است. پلیمرهای هادی حفره که نوعاً در سلول‌های فوتوولتایی آلی استفاده شده‌اند منجر به تولید بازده ۵ درصد شده‌اند. فرآیندهای لایه‌نشانی الکترولیت‌های پلیمری نیز بر پایه حلال است. با وجود این، ضریب پرشدگی این نوع الکترولیت کمتر از ۲۵ درصد است. با این حال، پلیمرها می‌توانند سطح داخلی را به‌ طور موثر بپوشانند و انتقال حفره تا ضخامت ۷ میکرومتر امکان‌پذیر است.
در مقایسه با الکترولیت‌های مایع، سلول‌های خورشیدی جامد در ابتدای راه هستند. تاکنون، مواد هادی حفره کمتر مطالعه شده‌اند و نوع ماده هادی حفره، نوع آلاینده و افزودنی‌های مورد نیاز، و نیز رنگدانه‌ها به‌طور کامل بهینه نشده‌اند. به‌رغم این‌که مدل‌های اپتیکی برای سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای جامد مطرح شده‌اند، درک علت بازده کوانتومی داخلی کمتر در این نوع سلول نسبت به سلول خورشیدی مایع نیازمند افزایش دانستنی‌های ما در حوزه فیزیک مساله است. بهینه‌سازی سلول‌های خورشیدی جامد مستلزم اصلاح ضریب پرشدگی، تولید الکترولیت‌های هادی حفره با تراز HOMO عمیق‌تر، اصلاح الکترولیت با افزودن افزودنی‌های جدید برای کاهش نرخ بازترکیب، و اصلاح رنگدانه است. با درنظرگرفتن این راهکارها می‌توان انتظار داشت میزان پتانسیل اتلافی داخلی تا ۳۰۰ میلی‌ولت کاهش یابد.

6. مهندسی سطوح برای جلوگیری از بازترکیب الکترون‌ها
در سلول‌های خورشیدی بر پایه الکترولیت‌های مایع نرخ بازترکیب الکترون‌ها با گونه‌های داخل الکترولیت نسبتاً کم است و معمولاً مهندسی سطوح امری ضروری نیست. با وجود این، در سلول‌هایی با الکترولیت‌های جدید، مانند کبالت و فروسیانید، و همچنین الکترولیت‌های جامد، بازترکیب زیاد الکترون‌ها از فوتوآند چالشی اساسی است و برای دست‌یابی به بیشینه بازدهی سلول باید مقدار آن تا حد امکان کاسته شود. باید در نظر داشت که کاهش نرخ بازترکیب تا ده مرتبه می‌تواند سبب افزایش ولتاژ مدار باز بین ۵۰ تا ۶۰ میلی‌ولت شود. اصلاح لایه اکسیدی می‌تواند با به کارگیری لایه‌های آلی یا معدنی صورت بگیرد. در مورد اصلاحات سطحی، با بهره‌گیری از لایه‌های آلی، جذب توام اصلاحگر سطحی و رنگدانه‌های آلی می‌تواند از اتصال الکترولیت با اکسید تیتانیوم جلوگیری کند، یا سطوح انرژی مرزی را با ایجاد میدان دوقطبی تغییر داده و باعث کاهش نرخ بازترکیب شود. در اصلاح سطحی با بهره‌گیری از مواد معدنی لایه نازکی از اکسید عایق بر روی لایه اکسید تیتانیوم قبل از رونشانی رنگدانه لایه‌نشانی می‌شود. ضخامت این لایه اکسیدی باید آن‌قدر نازک باشد که امکان انتقال الکترون از رنگدانه تحریک‌شده به اکسید تیتانیوم وجود داشته باشد و از طرف دیگر، باید آن‌قدر ضخیم باشد که از بازترکیب الکترون‌ها با الکترولیت ممانعت شود. از آن‌جایی که سازوکار بنیادی انتقال الکترون از رنگدانه به اکسید تیتانیوم واز اکسید تیتانیوم به الکترولیت یکسان است، انتظار می‌رود به کارگیری این لایه اثر یکسانی در دو سمت داشته باشد. بنابراین، به کار‌گیری این روش نیازمند آن است که فرآیند انتقال اولیه الکترون تا حد زیادی بیشتر از حد معمول باشد و لایه‌نشانی اکسید تا اندازه‌ای صورت بگیرد که بازترکیب کاسته بشود. در عمل، به‌طور معمول کاهش اندک در جریان نوری و افزایش در ولتاژ مدار باز ایجاد می‌شود. پوشش‌دهی سطح اکسید تیتانیوم با لایه عایق معمولاً سبب جابه‌جایی پتانسیل سطحی لایه اکسید می‌شود و در نتیجه، ولتاژمدار باز افزایش می‌یابد و گاهی این اثر، به اشتباه، به ممانعت از بازترکیب الکترون تعبیر می‌شود.
در سلو‌ل‌های خورشیدی رنگدانه‌ای جامد تغییر محتوای یونی الکترولیت هادی حفره می‌تواند از به کارگیری‌لایه‌های معدنی رونشانی شده بر اکسید تیتانیوم موثرتر باشد. دلیل این موضوع آن است که حفره‌های موجود در الکترولیت جامد به ‌طور الکترواستاتیکی الکترون‌های موجود در اکسید تیتانیوم را پوشش می‌دهند. از آن‌جایی‌‌که ثابت دی‌الکتریک اکسید تیتانیوم بسیار بزرگ است (۱۰۰ برابر ثابت دی‌الکتریک خلأ)، با انتقال ‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌الکترون به فوتوآند باز هم پوشش‌دهی الکترواستاتیکی لازم است. حساس‌بودن نرخ بازترکیب الکترون‌ها به گونه‌های یونی افزوده شده در الکترولیت جامد سبب می‌شود تا الکترون‌های سطحی با دی‌الکتریک توده پوشش‌دهی نشود. غیرفعال‌کردن تراز‌های سطحی می‌تواند در کاهش نرخ بازترکیب موثر باشد.

7. به‌دام‌انداختن نور
برای تمام انواع سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای که از الکترولیت‌هایی به‌ غیر از یدید/ تری‌یدید استفاده می‌کنند، عمدتاً امکان استفاده از فوتوآندهایی با ضخامت زیاد وجود ندارد. این مساله به‌طور معمول به این دلیل است که همه حامل‌های بار بتوانند جمع‌آوری شوند. استفاده از الکترودهای ضخیم معمولاً منجر به آن خواهد شد که حامل‌های بار قبل از رسیدن به اتصال نهایی بازترکیب شوند. این مشکل را می‌توان با به کارگیری لایه پراکنده‌کننده نور با بهره‌گیری از اثر پلاسمونیک حل کرد. اثر پلاسمونیک سبب می‌شود که جذب رنگدانه در نزدیک فلزات طرح‌دار شده افزایش یابد. رایج‌ترین راهکار در به‌دام ‌انداختن نور در سلول‌های با الکترولیت مایع بهره‌گیری از فیلمی شامل ذراتی با قطر ۲۰۰ تا ۴۰۰ نانومتر در بالای لایه نانوذره‌ای است. ذرات بزرگ‌تر اکسید تیتانیوم می‌توانند سبب افزایش پراکندگی و نیز زیادشدن مسیر فوتون در داخل فوتوآند شوند. در بعضی از موارد ساختارهای منظم کریستال نوری می‌تواند برای پراکندگی نور به کار رود.
اغلب برای به‌دام‌انداختن نور در سلول‌های خورشیدی با ضخامت کمتر از ۳ میکرومتر روش‌های دیگری لازم است. بهره‌گیری از اثر پلاسمونیک می‌تواند راهکار مهمی در این مورد باشد. سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای با بهره‌گیری از اثر پلاسمونیک را می‌توان با انجام لیتوگرافی نانویی آرایه‌های شش‌گوشی از سوراخ‌ها در فوتوآند اکسید تیتانیوم قبل از عملیات حرارتی ایجاد کرد. در مرحله بعد، الکترولیت جامد حامل حفره در داخل الکترود متخلخل لایه‌نشانی می‌شود. در این حالت با رونشانی نقره آرایه‌ای از کره‌های نقره در حفره‌ها ایجاد می‌شود که می‌تواند به‌ طور موثری سبب پراکندگی نور شوند و همچنین امکان جفت‌شدگی مدهای پلاسمون - پلاسمون وجود دارد. با به کارگیری انعکاس‌دهنده‌های پلاسمونی می‌توان در سلول‌های با رنگدانه‌های بر پایه روتینیوم تا ۲۰ درصد و درسلول‌های بر پایه رنگدانه جاذب دهنده - پی - گیرنده تا ۵ درصد جذب نور را افزایش داد. راهکار دیگر آن است که نانوذرات فلزی با روکش عایق و یا اکسیدی نوع n مستقیماً بر روی سلول‌های خورشیدی قرار بگیرند. نور می‌تواند به‌شدت سبب تحریک تشدید پلاسمونی شود و میدان‌های الکتریکی موضعی اطراف آن‌ها جذب نوری را افزایش می‌دهند. اگرچه روش‌های به‌دام‌انداختن نور می‌تواند در عملکرد سلول‌های خورشیدی موثر باشد، اما جذب کامل نور با این روش امکان‌پذیر نیست، زیرا با افزایش پراکندگی هم‌زمان جذب در الکترود شفاف و الکترولیت هادی حفره نیز افزایش می‌یابد.

8. حسگرهای چند رنگدانه‌ای و رنگدانه‌های بازپخشی
یکی از موثرترین راهکارها برای اصلاح بازدهی انواع مختلف سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای این است که بتوانیم گاف انرژی رنگدانه را کاهش دهیم، به‌گونه‌ای که نور بیشتری در محدوده ۶۵۰ تا ۹۴۰ نانومتر جذب شود (شکل ۲ الف). با وجود این، پیداکردن رنگدانه‌ای که بتواند در تمام محدوده ۳۵۰ تا ۹۴۰ نانومتر جذب مناسبی داشته باشد بسیار سخت است. نوعاً ضریب پیک جذب و پهنای جذب با یکدیگر نسبت عکس دارند. مناسب‌ترین راه حل برای جذب حداکثری کل طیف بهره‌گیری هم‌زمان از چند رنگدانه در محدوده مرئی و مادون قرمز است. در گذشته، راهکار استفاده هم‌زمان از چند رنگدانه مناسب نبود، زیرا به‌دلیل استفاده از رنگدانه‌‌های با ضریب خاموشی مولی کم، پوشش کامل سطح برای جذب نور لازم بود. این در حالی است که رنگدانه‌های آلی دارای ضریب خاموشی مولی بسیار بیشتری هستند و در نتیجه، سطح موثر کمتری برای جذب لازم است. تاکنون، بیشینه بازده سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای با بهره‌گیری هم‌زمان از چند رنگدانه به‌منظور افزایش جذب در طول موج ۵۵۰ نانومتر به دست آمده است. با وجود آن‌که به کارگیری هم‌زمان چند رنگدانه برای این سلول خورشیدی منجر به افزایش بازده و جریان اتصال کوتاه آن شد، اما ولتاژ مدار باز آن کاهش یافت. کاهش ولتاژ مدار باز به این علت است که حسگری هم‌زمان با چند رنگدانه نمی‌تواند باعث کاهش ممانعت بازترکیب الکترون‌ها از الکترودها، آنگونه که در رنگدانه‌ای مثل YD2-o-C8 اتفاق می‌افتد، بشود. تا امروز، رنگدانه‌های کمی یافت شده‌اند که پیک جذب در منطقه مادون قرمز (بیشتر از ۷۰۰ نانومتر) داشته باشند، به‌گونه‌ای که بتوانند تزریق مناسب الکترون نیز داشته باشند. تاکنون، رنگدانه‌های مادون قرمز در بهترین شرایط ولتاژ مدار بازی در حدود ۴۶۰ میلی‌ولت ایجاد کرده‌اند. رنگدانه‌های مادون قرمز عمدتاً ولتاژ زیادی برای احیا شدن نیاز ندارند و نرخ بازترکیب الکترون‌ها در اکسید تیتانیوم و حفره در رنگدانه زیاد نیست؛ در نتیجه، انتظار می‌رود پتانسیل بازده در حدود ۱۵ درصد را داشته باشند. مهم‌ترین چالش حسگری هم‌زمان به‌وسیله‌ی رنگدانه مادون قرمز با سایر رنگدانه‌ها به‌دست‌آوردن ولتاژ مدار باز مناسب است؛ این مستلزم آن است که هر رنگدانه به ‌طور مستقل از بازترکیب الکترون‌های داخل الکترود با گونه‌های داخل الکترولیت ممانعت کند. گاف انرژی کوچک رنگدانه‌های مادون قرمز عمدتاً سبب ایجاد ولتاژ مدار باز کوچک می‌شود. در هنگام استفاده از چند رنگدانه، به‌دلیل تراز HOMO پایین‌تر رنگدانه‌های منطقه مرئی، امکان انتقال حفره از آنها به رنگدانه مادون قرمز وجود دارد؛ این امر خود می‌تواند سبب افزایش نرخ بازترکیب و کاهش ولتاژ مدار باز سلول خورشیدی شود. با استفاده از رنگدانه‌های بازپخشی می‌توان فرآیند جذب نور و انتقال بار را از یکدیگر تفکیک کرد و به این دلیل دارای مزایایی نسبت به حالت چندرنگدانه‌ای است.
در یک سلول خورشیدی رنگدانه‌ای بر پایه رنگدانه‌های باز پخشی رنگدانه نور را جذب می‌کند و انرژی را به‌صورت غیرتابشی به رنگدانه ثانویه انتقال می‌دهد. درواقع، رنگدانه دوم مسئول جدایش بار است. رنگدانه بازپخشی می‌تواند داخل الکترولیت و یا برروی نیمه‌هادی با رنگدانه دیگر به ‌طور هم‌زمان به‌کار گرفته شود. استفاده از رنگدانه‌های بازپخشی چند مزیت مهم نسبت به حسگرهای هم‌زمان با چند رنگدانه دارد.رنگدانه‌های بازبخشی به‌طور مستقیم در فرآیند انتقال شرکت نمی‌کنند؛ بنابراین، عدم نیاز به ترازهای انرژی کاملاًمشخص باعث می‌شود که بتوانیم محدوده وسیعی از رنگدانه‌ها را بدون درنظرگرفتن مکان ترازهای آن‌ها درسلول خورشیدی استفاده کنیم. رنگدانه‌های بازپخشی را می‌توان برای تکمیل جذب نوری در حسگرهای رنگدانه‌ای، برای سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای با الکترولیت مایع، و برای افزایش مقدار کلی جذب نور در سلول‌های خورشیدی با الکترولیت جامد به‌کار برد. لزومی ندارد رنگدانه‌های بازپخشی برای آن‌که بتوانند در فرآیند جذب نور شرکت کنند به سطح نیمه‌هادی اتصال داشته باشند. بنابراین، می‌توانند برای افزایش پهنا و شدت طیف جذب کل در ضخامت یکسان از فوتوآند موثر باشند. رنگدانه‌های بازپخشی نوعاً انرژی را با مکانیزم تشدید FÖrster منتقل می‌کنند. در این روش جفت‌شدگی دو قطبی - دوقطبی بین رنگدانه بازپخشی و رنگدانه حساس‌کننده ایجاد می‌شود. مقدار فاصله‌ای که در آن انتقال انرژی بتواند به‌طور موثر صورت بگیرد وابسته به ضریب خاموشی مولی رنگدانه حساس‌کننده و میزان اشتراک بین طیف انتشاری رنگدانه بازپخشی و طیف جذب رنگدانه حسگر است.
به هنگام طراحی رنگدانه بازپخشی، می‌بایست در نظر داشت که طول عمر رخشایی نوری تا حد امکان کوتاه باشد (کمتر از ۱۰ نانو ثانیه). علت این موضوع آن است که میزان انتقال انرژی وابسته به نرخ انتشار نور است؛ درنتیجه، باید سریع‌تر از خاموشی آن به‌وسیله الکترولیت باشد. درحقیقت، این امکان وجود دارد که بتوان هم‌زمان از چندین رنگدانه برای بسط‌ دادن طیف کل جذب نور استفاده کرد. انتقال انرژی حتی ممکن است از فواصل نسبتاً دور (بیشتراز ۲۵نانومتر) برای رنگدانه‌های باز پخشی، که دارای انتشار قوی در محدوده جذب رنگدانه‌های به‌هم‌پکیده آلی به‌سطح نیمه‌هادی هستند، نیز صورت گیرد. در این شرایط، امکان انتقال انرژی بیشتراز ۹۰ درصد در الکترولیت‌های مایع و بیشتر از ۶۰ درصد در الکترولیت‌های جامد هادی حفره وجود دارد. تا به امروز، امکان حل مقدار زیاد از رنگدانه‌های بازپخشی درالکترولیت برای جذب تمام نور وجود ندارد، اما در شرایط کلی می‌توان انتظار داشت که این مشکل با افزایش حلالیت و ضریب جذب مولی رنگدانه باز پخشی برطرف شود. هنوز هم این امکان وجود دارد که با جفت‌شدگی ضعیف‌تر دوقطبی - دوقطبی در فواصل کمتر بین ۱ تا ۳ نانومتر نیز انتقال انرژی نیز صورت بگیرد.

9. روند تجاری‌سازی سلول‌های خورشیدی
هدف نهایی هر نوع فناوری سلول‌های خورشیدی آن است که قیمت راه‌اندازی آن به ازای هر وات انرژی تولیدی قابل مقایسه با فناوری‌های برپایه سوخت فسیلی و قابل رقابت با سایر فناوری‌های فوتوولتایی باشد. هزینه ساخت ماژول‌های سلول خورشیدی سیلیکونی در حال کاهش است و از ۴ دلار به ازای هر وات در سال ۲۰۰۸ به1/25 دلار به ازای هر وات درسال ۲۰۱۱ رسیده است. این در شرایطی است که بازده ماژول این نوع سلول خورشیدی از ۱۵ درصد به ۲۰ درصد و طول عمر کارکرد مفید آن‌ها به ۲۵ سال افزایش یافته است. در شرایط عادی منطقی به نظر می‌رسد که انتظار داشته باشیم قیمت ماژول سلول‌های خورشیدی سیلیکونی روند کاهشی داشته باشد و به قیمت تقریبی 0/7 وات به ازای هر دلار و بازدهی بین ۱۸ تا ۲۲ درصد برسد. گام‌های بلندی در زمینه تجاری‌سازی فناوری سلول‌های خورشیدی لایه‌نازک برداشته شده و امروزه، بازده ماژول سلول‌های خورشیدی لایه‌نازک بر پایه کادمیوم تلوراید به ۱۰ تا 12/5 درصد با هزینه 0/7 دلار به ازای هر وات رسیده است. بر پایه نقشه راه برای فناوری سلول‌های خورشیدی لایه‌نازک، انتظار می‌رود بازده ماژول به ۱۴ درصد و هزینه ساخت به 0/5 دلار به ازای هر وات برسد. ماژول سلول‌های خورشیدی بر پایه CuInGaSe امروزه به‌صورت تجاری موجود است و ماژول‌هایی با بازده بین ۱۲ تا ۱۵ درصد و هزینه کمتر از 0/5 دلار به ازای هر وات ساخته شده‌اند.سوالی که مطرح می‌شود آن است که در بازار سلول‌های فوتو‌ولتایی سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای چگونه می‌تواند به لحاظ بازده، هزینه ساخت ماژول، پایداری بیش از ۲۰ سال، و نیز تقاضای بازار برای این نوع سلول و میزان در دسترس‌ بودن مواد اولیه با سایر انواع سلول خورشیدی رقابت کند. حقیقت آن است که سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای می‌توانند از مواد قابل دسترس و غیرسمی ساخته شوند که این مساله می‌تواند از مزایای اصلی این نوع سلول نسبت به سلول‌های خورشیدی لایه‌نازک باشد.
برای آن‌که یک ماژول سلول خورشیدی رنگدانه‌ای با بازده ۱۰ درصد تجاری شود باید هزینه ساختن آن‌ها بسیار ارزان‌قیمت باشد؛ این امر مستلزم آن است که حداقل یکی از زیرلایه‌های شیشه‌ای از ساختار کلی سلول حذف شود تا هزینه به مقدار متری ۲۰ دلار برسد. در طراحی و ساخت ماژول مساله هزینه و بازدهی باید هم‌زمان درنظرگرفته شوند. به ‌عنوان مثال، نصب ماژول سلول خورشیدی با بازدهی ۱۰ درصد در حقیقت به معنای 0/3 دلار به ازای هر وات گران‌تر از یک ماژول ۱۵ درصدی است. بنابراین، قیمت ماژول ۱۰ درصدی باید در حدود 0/2 تا 0/3 دلار به ازای هر وات باشد تا بتواند با هزینه ساخت مترمربعی ۲۰ تا ۳۰ دلار قابل استفاده به‌عنوان یک تولیدکننده انرژی باشد. پرهزینه‌ترین بخش یک ماژول زیرلایه‌های آن است. در مقیاس گیگا واتی، شیشه آلاییده‌شده با فلورین (FTO) قیمتی بین ۸ تا ۱۲ دلار به ازای هر متر مربع دارد؛ این در حالی است که قیمت شیشه ساده بدون پوشش در حدود ۵ دلار به ازای هر وات است. در نتیجه، در ساخت سلول خورشیدی رنگدانه‌ای بر پایه ۲ زیرلایه شیشه‌ای، هزینه زیرلایه درحدود ۱۳ دلار در هر متر مربع خواهد بود. این به آن معناست که برای بقیه قسمت‌های سلول فقط می‌توان بین ۷ تا ۱۷ دلار در متر مربع هزینه کرد تا امکان تجاری‌سازی وجود داشته باشد. چالش اصلی همین مساله است. سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای بسیار ارزان‌قیمت را می‌توان بر پایه زیرلایه‌های فلزی مانند استیل، آلومینیوم، یا پلاستیک ساخت تا از هزینه شیشه کاسته شود. مساله اصلی در این‌جا آن است که الکترولیت یدی خورنده آلومینیوم و استیل است. در نتیجه، تحقیقات به سمت رونشانی این زیرلایه‌ها با پوشش بدون ترک و نیز ساخت الکترولیت‌های غیرخورنده در حال انجام است. علاوه ‌بر زیرلایه‌های فلزی، زیرلایه‌های پلاستیکی نیز به ‌عنوان موادی ارزان‌قیمت مطرح هستند. مساله اصلی در مورد زیرلایه‌های پلاستیکی آن است که رطوبت به ‌راحتی می‌تواند در آن‌ها نفوذ کند. تحقیقات برای ساخت زیرلایه‌هایی با نفوذ آب کمتر در حال انجام است. راهکار جالب دیگر آن است که سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای ساخته شود که در مقابل آب پایدار باشد. مساله دیگر این است: لایه‌نشانی لایه‌های اکسیدی هادی بر روی پلاستیک عمدتاً گران‌تر، کدرتر، و با مقاومت الکتریکی بیشتر نسبت به زیرلایه‌های شیشه‌ای هستند، که همه این‌ها منجر به بازده کمتر آن‌ها می‌شود. بنابراین، چالش اصلی در این مرحله دست‌یابی به زیرلایه‌های شفاف هادی با بازده قابل مقایسه با شیشه است.
دست‌یابی به ماژول سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای با بازده ۱۴ درصد مساله فوق ارزان‌بودن این سلول‌ها را حل می‌کند. این امر مستلزم دست‌یابی به بازده ۱۵ درصد در مقیاس آزمایشگاهی است. نرخ کم افزایش در بازدهی سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای در۱۰ سال اخیر به ‌این دلیل است که بیشینه قابل دست‌یابی برای سیستم الکترولیت یدی و رنگدانه روتینیومی حدود ۱۳ درصد است.کاهش پتانسیل اتلافی داخلی تا حدود ۵۰۰ میلی‌ولت با تطبیق بهتر سطوح انرژی در مرز رنگدانه - الکترولیت، بهره‌گیری از رنگدانه‌هایی با قدرت جذب بیشتر نور در فیلم‌های نازک‌تر، و ممانعت از اتلاف بازترکیب الکترون‌ها می‌تواند سبب دست‌یابی به بهره ۱۹ درصد با رنگدانه‌ای با لبه جذب تا ۹۲۰ نانومتر شود. درنهایت، با وجود آن‌که تحقیقات ابتدایی در ارتقای فناوری‌های ماژول‌های سلول خورشیدی رنگدانه‌ای انجام شده است، فهم و مطالعه دقیق طول عمر سلول و سازوکارهای تخریب آن‌ها مستلزم مطالعات گسترده آتی در این زمینه است.

منابـــع و مراجــــع

B.E. Hardin, H.J.Snaith and M.D.McGehee, “The renaissance of dye-sensitized solar cells”, Naturephotonics, 6 (2012) 162.