Panele fotowoltaiczne – doskonalenie metod pomiaru przenoszenia elektronów

Mimo istotnego znaczenia, jakie ma określenie potencjału urządzenia fotowoltaicznego, aktualne metody monitorowania międzyfazowego przenoszenia elektronów pozostają dwuznaczne. Teraz, dzięki wykorzystaniu ciągłych impulsów głębokiego ultrafioletu, naukowcy z École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) opracowali metodę swoistą względem substratu do wykrywania przenoszenia elektronów. W artykule, który ukazał się w czasopiśmie »Journal of the American Chemical Society«, pod tytułem Interfacial Electron Injection Probed by a Substrate-Specific Excitonic Signature opisano, w jaki sposób zespół opracował metodę swoistą względem substratu do wykrywania przenoszenia elektronów.

Uczulane ogniwa fotowoltaiczne, które składają się z molekularnego lub półprzewodnikowego uczulacza służącego do gromadzenia światła i wtryskiwania elektronów na substrat sprzyjający ich migracji, są jednymi z najgruntowniej przestudiowanych systemów fotowoltaicznych. Niemniej aktualne metodologie, z których każda wykorzystuje światło w zakresie od częstotliwości widzialnych do terahercowych (fale o długości około 400 – 30 000 nm), mogą przynosić dwuznaczne wyniki. To podejście jest wrażliwe na nośniki, które pozostają wolne w paśmie przewodnictwa substratu półprzewodnikowego. W związku z tym nie są swoiste względem substratu i nie można ich użyć w nowej generacji półprzewodnikowych uczulonych ogniwach fotowoltaicznych.

Zespół EPFL postanowił przezwyciężyć ograniczenia bieżących metod pomiaru przenoszenia elektronów, stosując dwa rodzaje systemów zamiany promieniowania słonecznego uczulanych barwnikiem: jeden oparty na dwutlenku tytanu, a drugi na nanocząstkach tlenku cynku, z których obydwa należą do kategorii substratów z tlenków metali przejściowych (TMO). Za pomocą ciągłych impulsów głębokiego ultrafioletu, naukowcy z EPFL opracowali metodę swoistą względem substratu do wykrywania przenoszenia elektronów.

Jak wyjaśniają w artykule: „(…) demonstrujemy zastosowanie ciągłych impulsów głębokiego ultrafioletu do badania międzyfazowego przenoszenia elektronów na podstawie wykrywania swoistego przejścia ekscytonowego zarówno w uczulonej N719 anatazie TiO2, jak i w nanocząstkach ZnO o strukturze wurcytu”. Naukowcy pokazują, że: „(…) sygnał w momencie wtrysku elektronów z barwnika N719 do TiO2 jest zdominowany przez dalekiego zasięgu ekranowanie Coulomba stanów końcowych przejść ekscytonowych, podczas gdy w przypadku uczulonego ZnO jest zdominowany przez wypełnianie przestrzeni fazowej”.

Tlenki (TiO2, ZnO, NiO) metali przejściowych (TM) są izolatorami z dużą przerwą, które na przestrzeni ostatnich dwóch dekad okazały się niezwykle atrakcyjnymi materiałami do zastosowań w fotokatalizie, przekształcaniu energii słonecznej. Mimo ogromnego zainteresowania tego typu materiałami, sam charakter podstawowych wzbudzeń elektronowych (Frenkel, Wannier albo wzbudzenie przeniesienia ładunku) nadal nie został ustalony. Unijny grant dla doświadczonych naukowców wspomógł badania w ramach projektu DYNAMOX (Charge carrier dynamics in metal oxides), którego partnerzy opracowują nowatorskie narzędzia doświadczalne mające dostarczać nam dotychczas niedostępnych informacji o dynamice nośników ładunków w tlenkach TM. Badania przeprowadzone w Lozannie pomogą w jaśniejszy sposób rozpoznawać przejście ekscytonowe.

Więcej informacji:
strona projektu w serwisie CORDIS