Väriaineaurinkokenno Rakenne Toimintaperiaate Kehityskohteet SMG-4450 Aurinkosähkö Neljännen luennon aihepiirit 1 AURINKOKENNOJEN SUKUPOLVET Aurinkokennotyypit luokitellaan yleensä kolmeen sukupolveen. I sukupolven aurinkokennoilla tarkoitetaan kiteisiä piikennoja. Niiden markkinaosuus on edelleen laskentatavasta riippuen 80-90%. II sukupolven aurinkokennot ovat pn-liitokseen perustuvia ohutkalvoaurinkokennoja. I ja II sukupolven aurinkokennot toimivat samalla periaatteella, sillä molempien toiminta perustuu valosähköiseen ilmiöön ja pn-liitoksen sähkökenttään, joka erottelee fotonien synnyttämät varaukset ehkäisten rekombinaatiota. Kun aurinkokennojen suunnittelussa hyödynnetään nanotekniikkaa, puhutaan III sukupolven aurinkokennoista. Tutkituin III sukupolven kennotyyppi on väriaineaurinkokenno, jonka kehitystyöstä sveitsiläinen Michael Grätzel sai Millenium-palkinnon vuonna 2010. 2 1
VÄRIAINEAURIKENNON TOIMINNAN LÄHTÖKOHDAT PN-liitokseen perustuvissa aurinkokennoissa puolijohdemateriaali pyritään valitsemaan siten, että auringonsäteilyn fotonien absorptio on tehokasta. Väriaineaurinkokennoissakin on puolijohdetta, mutta sen energia-aukko on niin suuri, ettei fotonien energia riitä valenssielektronien virittämiseen. PN-liitoksen perustuvissa aurinkokennoissa tyhjennysalueen sähkökenttä erottelee fotonien synnyttämät elektronit ja aukot ehkäisten rekombinaatiota. Väriaineaurinkokennoissa ei ole nettosähkökenttää, joka aiheuttaisi voiman fotonien virittämiin varauksiin. MITEN VÄRIAINEKENNOT SITTEN TOIMIVAT? VÄRIAINEAURINKOKENNON RAKENNE Väriaineaurinkokenno jaetaan rakenteellisesti neljään osaan: johtava alusta, aktiivinen elektrodi, elektrolyytti, vastaelektrodi. 4 2
AKTIIVINEN ELEKTRODI Aktiiviseksi elektrodiksi kutsutaan väriaineaurinkokennossa sitä osaa, joka koostuu puolijohteen, elektrolyytin ja väriainehiukkasten yhdistelmästä. Puolijohde (yleensä TiO 2 ) koostuu nanopartikkeliverkostosta, jossa yksittäisen partikkelin halkaisijan suuruusluokka on 10 nm. Puolijohdepartikkelien pinnalle on kiinnittyneinä väriainemolekyylejä, jotka ovat yleisimmin rutenium-pohjaista yhdistettä. Koska puolijohde on nanopartikkelimuodossa, väriaineen kiinnittymiselle on tarjolla valtava pinta-ala tasaiseen pintaan verrattuna. Nanopartikkeliverkoston huokoset täyttyvät nestemäisellä elektrolyytillä (yleensä jodi-pohjaista ainetta), jolla on oleellinen rooli kennossa tapahtuvien reaktioiden kannalta. 5 ELEKTROLYYTTI Väriaineaurinkokennon toiminta edellyttää hapettumis- ja pelkistymisreaktioiden toteutumista. Siksi väriaineaurinkokennossa on elektrolyytti, joka toimii sekä hapettimena että pelkistimenä. Pelkistimenä toimiessaan elektrolyytti hapettuu. Tällöin elektrolyytti luovuttaa elektronin. Hapettimena toimiessaan elektrolyytti pelkistyy. Tällöin elektrolyytti vastaanottaa elektronin. Lisäksi elektrolyytin on oltava nestemäistä, jotta se täyttää puolijohdepartikkeliverkoston huokoset. Väriaineaurinkokennon elektrolyytti on yleensä asetonitriilin (liuotin) ja jodiditrijodidi-parin (I - /I - ) yhdistelmä. Elektrolyytin toiminta edellyttää kemiallisten reaktioiden toteutumista. Tässä mielessä väriainekenno poikkeaa merkittävästi I ja II sukupolven kennoista. 6
JOHTAVA ALUSTA JA VASTAELEKTRODI Johtava alusta ja vastaelektrodi ovat väriaineaurinkokennon elektrodeja. Elektrodien tehtävä on siirtää varausta kennon ja ulkoisen piirin välillä. Johtava alusta on elektrodeista yksinkertaisempi, sillä sen ainoa tehtävä on siirtää aktiiviselta elektrodilta tulevat elektronit ulkoiseen piiriin. Johtavalla alustalla ei tapahdu kemiallisia reaktioita. Toiminnan kannalta oleellisin vaatimus on hyvä sähkönjohtavuus. Vastaelektrodin tehtävä on siirtää ulkoiselta piiriltä tulevat elektronit elektrolyyttiin. Jotta tämä toteutuu, vastaelektrodilla on tapahduttava kemiallisia reaktioita. Tämän vuoksi vastaelektrodi on pinnoitettava reaktioita edistävällä katalyytillä, yleensä platinalla. 7 VÄRIAINEAURINKOKENNON TOIMINTAPERIAATE (1/) Väriaineaurinkokennon toiminta sisältää seuraavat vaiheet: Fotonien absorptio tapahtuu väriainemolekyyleissä. Elektroni irtoaa väriainemolekyylistä, ja jäljelle jää positiivisesti varautunut väriainekationi. Elektroni siirtyy puolijohdepartikkeliverkostoa pitkin johtavalle alustalle ja edelleen ulkoiseen piiriin. Puolijohde ei saa absorboida fotoneja! Väriainekationi palautuu alkuperäiseen tilaansa elektrolyytiltä saamansa elektronin avulla. Tällöin väriaine pelkistyy, eli vastaanottaa elektronin, ja vastaavasti elektrolyytti hapettuu, eli luovuttaa elektronin. 8 4
VÄRIAINEAURINKOKENNON TOIMINTAPERIAATE (2/) Elektrolyytin hapettuessa jodidi muuttuu trijodidiksi reaktioyhtälön I 2e I mukaisesti. Oleellista on huomata, että elektrolyytin kemiallisen koostumuksen on säilyttävä. Tämän vuoksi elektrolyytin on pelkistyttävä vastaelektrodilla samaa tahtia, kuin mitä se hapettuu väriaineen kanssa reagoidessaan. Elektrolyytin pelkistyminen tapahtuu vastaelektrodilla, jossa ulkoisesta piiristä tuleva elektroni muuttaa trijodidia jodiksi reaktioyhtälön mukaisesti. I 2e I 9 VÄRIAINEAURINKOKENNON TOIMINTAPERIAATE (/) Miten väriaineaurinkokenno sitten toimii? Fotonien absorptio tapahtuu väriaineessa. Jos puolijohde absorboisi fotoneja, väriaineesta irronneet selektronit rekombinoituisivat puolijohteen aukkoihin. Tyhjennysaluetta ja sen sähkökenttää ei tarvita, sillä puolijohteessa ei ole aukkoja, joihin elektronit voisivat rekombinoitua. Nykytietämyksen mukaan elektroneja liikuttava voima on diffuusio. Toisin sanoen erot varaustiheydessä kennon eri puolilla saavat elektronit liikkeelle. 10 5
TOIMINNAN KARAKTERISOINTI Väriaineaurinkokennojen toimintaa karakterisoidaan IPCE-arvolla (Incident Photon-to-current Conversion Efficiency), joka määritellään yhtälöllä sc IPCE, ei photon jossa e on elektronin varaus ja I photon fotonien määrä aikayksikköä kohti. Jos jokainen kennoon tuleva fotoni virittää elektronin ulkoiseen piiriin, yhtälön osoittaja ja nimittäjä ovat yhtäsuuret, jolloin IPCE = 1. I 11 KEHITYSKOHTEET Koska väriaineaurinkokennojen toiminta perustuu kemiallisiin reaktioihin, kennotyypin merkittävin kehityskohde liittyy kemialliseen stabiilisuuteen. Toisin sanoen kennon sisällä olevien aineiden kemiallisen koostumuksen tulee säilyä muuttumattomana vuodesta toiseen. Väriainekennossa kemiallisiin reaktioihin osallistuvat väriaine, elektrolyytti ja vastaelektrodin katalyytti. Jotta kennon kemiallinen stabiilisuus toteutuu, kaikkien näiden aineiden koostumusten tulee säilyä pitkällä aikavälillä muuttumattomina. Kiteinen piikenno toimii erittäin hyvin vähintään 25 vuotta. Tämän päivän väriainekennoilla puhutaan laboratorio-olosuhteissa noin 10 vuoden käyttöiästä. Myös väriainekennossa tapahtuu rekombinaatiota, vaikkei puolijohteessa tapahdukaan valosähköistä ilmiötä. Puolijohdeverkoston johtavuuselektronin matka voi ennen ulkoisen piirin saavuttamista katketa kahdella tavalla: Elektroni rekombinoituu väriainekationiin, eli palauttaa virittyneen väriainemolekyylin alkuperäiseen tilaansa. Elektroni rekombinoituu elektrolyyttiin, eli palauttaa trijodidin jodidiksi. 12 6
TULEVAISUUDENNÄKYMIÄ Väriaineaurinkokenno tuskin tulee tulevaisuudessakaan pärjäämään hyötysuhteen osalta kiteiselle piikennolle. Laboratorio-olosuhteissa saavutettu hyötysuhde on noin 11%. Tämä ei kuitenkaan ole varsinaisesti ongelma, sillä tuotekehityksen tavoitteena on mahdollisimman halpa ja luotettavasti toimiva aurinkokenno piin lukemia lähentelevällä hyötysuhteella. Tehon suhde hintaan (cost per peak watt) on kuitenkin erittäin kilpailukykyinen. 1 7