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染料敏化太阳能电池研发解决方案

2015年,全球太阳能电池市场的规模已达350亿美元以上,据Global Market Insights公司预测,2016年至2024年,这一市场的复合年均增长率将超过12.0%。环境问题、技术创新和经济学基本要求这三方面因素共同推动了太阳能行业的发展。由于染料敏化太阳能电池可以开发为品质可媲美其它硅电池的轻质产品,其市场需求表现出强劲增长势头。然而,这种电池的光电转化率欠佳,给研发和质控带来了巨大挑战。为了解决上述问题,沃特世另辟蹊径,开发了一系列先进的分析解决方案和高效方法。

  • 太阳能电池分类

  • 染料敏化太阳能电池的原理

  • 染料敏化太阳能电池和钌配合物常用的染料类型

  • 使用Xevo G2-XS QTof分析钌配合物的示例

  • 分析染料敏化太阳能电池染料的系统解决方案

太阳能电池分类

太阳能电池是利用半导体直接将光能转换为电能的一种物理电池。根据制造材料不同,太阳能电池大体可分为四类:硅电池、多晶硅电池、化合物电池和有机物电池。

  • 硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池,价格昂贵但性能优异,能量转化率极高。

  • 多晶硅太阳能电池的生产成本低于单晶硅太阳能电池,能量转化率好。薄膜硅太阳能电池的能量转化率低于晶体硅太阳能电池,但具有易于大批量生产的优势。

  • 化合物太阳能电池包括节省资源的CIGS太阳能电池(能量转化率接近多晶硅太阳能电池)和CdTe太阳能电池。有机物太阳能电池包括有机半导体和染料敏化太阳能电池。染料敏化太阳能电池的相关研究发现铝具有诸多优势:其可采用传统卷轴印刷技术轻松生产,产品为半柔性、呈半透明状,并且成本比硅太阳能电池低,因此可用于开发高设计品质的轻质产品。

染料敏化太阳能电池的原理

染料敏化太阳能电池的基本原理如下:

  1. 在光辐照条件下,电池中的染料被激发并发射电子。

  2. 电子通过二氧化钛(TiO2)被转移至透明电极,然后流出。

  3. 在相对的电极上,电池电解液中的碘三离子(I3)获得电子,被还原为碘离子(I)。

  4. 失去电子的染料变为阳离子,然后从I处获得电子并恢复原始状态。

尽管单独使用TiO2即可产生电能,但TiO2只能吸收紫外光。通过添加能够吸收可见光的染料,可利用更大波长范围内的光生成电能,进而提高光电转化率。染料敏化太阳能电池具有诸多优势,例如颜色和形状方面的灵活性更高、重量比硅太阳能电池更轻并且构造简单,因此无需使用复杂的大型生产设备,可实现低成本、大规模的生产。然而,即使是最高端的染料敏化太阳能电池,其光电转化率也只能达到10%左右,约为硅电池的一半。这是目前促使人们开发更高效的染料敏化太阳能电池的关键。

染料敏化太阳能电池和钌配合物常用的染料类型

为了寻找适用于染料敏化太阳能电池的染料类型,人们研究了多种带有不同发色团配体染料包括多吡啶配合物、金属卟琳、金属酞菁等过渡金属类,以及多种不含任何金属的供体-受体染料。

在光物理学和光氧化还原反应化学领域,研究人员对钌多吡啶配合物进行了多年的研究。多吡啶配体共轭系统的转化有助于引入合适的官能团,因此推动了高效敏化剂的开发。

使用UPLC/Xevo G2-XS QTof分析钌配合物的示例

由于钌配合物具有吸附特性,并且会与反相色谱柱填料(例如ODS)上的硅醇基团发生不可逆的相互作用,因此难以从色谱柱上洗脱,最终导致色谱图中出现宽峰。在纯度分析估算合成收率时,色谱峰分离效果差可能会导致杂质峰被忽略,进而影响收率评估的准确性。沃特世推荐使用UPLC系统和基于杂化颗粒技术的BEH色谱柱来分析钌配合物,该方法可得到尖锐的色谱峰。上述组合能够准确评估收率,而不会忽略合成杂质。通过分离杂质与主要成分,可获得更可靠的质量数信息,进而提升杂质结构表征的准确性。这有助于研究人员了解合成过程中杂质的生成机制,从而找到杂质生成量更少的优化工艺。基于PDA检测器的纯度检测可轻松应用于供给染料的进料监测,有助于实现稳定的染料质控。

分析染料敏化太阳能电池染料的系统解决方案

UPLC/Xevo G2-XS QTofUPLC/四极杆、飞行时间质谱)

  • 基于IntelliStart的自动校准

  • 基于LockSpray精准测定精确质量数

  • 基于i-Fit的精确元素组成分析

  • 非常适用于超高效液相色谱(UPLC)

  • 基于QuanTof技术的高选择性定量

  • 适用于ESCi、APCI/APPI、ASAP、APGC

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