Genom att modifiera ytan av oxidelektroden med smälta joniska salter kan man förhindra att färgämnesmolekyler klumpar ihop sig utan att nämnvärt påverka deras täckning. Denna enkla modifiering förbättrar kraftigt energiomvandlingsprestandan för färgsensibiliserade solceller, finner forskare från NITech, Japan i en ny studie. Kredit:Tomohiko Inomata från NITech, Japan
Solceller håller snabbt på att bli ett av de viktigaste sätten att producera ren el i många länder i världen. Under de senaste decennierna har en enorm ansträngning lagts ner på att göra solenergi mer framträdande. Tekniken står dock för närvarande inför flera utmaningar som begränsar utbredd tillämpning.
När det gäller färgsensibiliserade solceller (DSSC) – en mycket lovande solcellsteknik – är ett av huvudproblemen färgämnesaggregation. Genom designen är DSSC:er elektrokemiska system som efterliknar fotosyntes i växter; de förlitar sig på speciella ljuskänsliga färgämnen för att omvandla solljus till elektricitet. Helst bör färgen appliceras jämnt över ytan av en oxidelektrod bakom ett transparent skikt så att energi från absorberat solljus lätt kan överföras till färgens elektroner. Denna process genererar fria elektroner som driver en extern krets. De flesta färgämnen tenderar dock att aggregera över elektrodytan på ett sätt som hindrar det önskade flödet av både ljus och elektriska laddningar. Detta tar hårt på prestandan hos DSSC:er som har visat sig vara svåra att övervinna.
Lyckligtvis kan ett team av forskare under ledning av docent Tomohiko Inomata vid Nagoya Institute of Technology, Japan, precis ha hittat en lösning på detta problem. I deras senaste studie publicerad i RSC Advances , visade de att vissa joniska vätskor (smälta salter som är i flytande tillstånd vid relativt låga temperaturer) kan undertrycka färgaggregering i en imponerande grad. Andra medlemmar i detta forskarteam inkluderade Ayaka Matsunaga och prof. Tomohiro Ozawa från Nagoya Institute of Technology, och professor Hideki Masuda från Aichi Institute of Technology, Japan.
Men hur uppnår joniska vätskor denna bedrift? För att belysa den exakta mekanismen på spel fokuserade forskarna på två joniska vätskor med markant olika molekylstorlekar och två typer av färgämnen. Båda de joniska vätskorna hade en liknande molekylstruktur bestående av ett ankare som binder väl till elektroden (titandioxid, TiO2 ), en huvudpolymerkedja som länkar detta ankare till en fosforatom, och ytterligare tre korta polymerkedjor som sticker ut från fosforatomen och bort från den "vertikala" huvudkedjan.
Forskarna sänkte TiO2 elektroder i lösningar med olika färg-till-jonisk-vätske-proportioner och noggrant analyserat hur de olika molekylerna fäste vid dem. Efter att ha optimerat syntesförfarandet fann de att DSSCs tillverkade med den joniska vätskan med en längre molekylstruktur hade en anmärkningsvärt bättre prestanda än deras motsvarigheter med icke-modifierade oxidelektroder. "Den rymdmässigt skrymmande molekylära strukturen hos joniska vätskor fungerar som ett effektivt anti-aggregationsmedel utan att nämnvärt påverka mängden färgämne som adsorberas in i elektroden", förklarar Dr. Inomata. "Det viktigaste är att introduktionen av den större joniska vätskan förbättrar alla fotovoltaiska parametrar för DSSC."
Det behöver inte sägas att förbättrad solcellsteknik kan ge oss ett försprång i kampen mot den pågående energi- och klimatkrisen. Även om joniska vätskor vanligtvis är dyra, är sättet de används av teamet faktiskt kostnadseffektivt. "Förenklat uttryckt är tanken att applicera joniska vätskor endast på den nödvändiga delen av enheten - i det här fallet elektrodens yta", säger Dr. Inomata.
Teamet tror att den utbredda användningen av elektroder modifierade med joniska vätskor kan bana väg för mycket funktionella men prisvärda material för solceller och katalytiska system. Eftersom strukturen hos joniska vätskor kan justeras under deras syntes, erbjuder de en välbehövlig mångsidighet som anti-aggregeringsmedel. + Utforska vidare
