NIMS-onderzoekers verhelderden de relatie tussen de fotostroom en de eigenaardige veranderingen in de absorptiestructuur die optreden in de buurt van het moleculaire elektrode-interface in kleurstofgevoelige zonnecellen

De organische/anorganische hybride fotovoltaïsche groep van de NIMS, Wereldwijd onderzoekscentrum voor milieu en energie op basis van nanomaterialenwetenschap (GREEN), verduidelijkte de relatie tussen de fotostroom en de eigenaardige veranderingen in de absorptiestructuur die optreden in de buurt van het moleculaire elektrode-interface in kleurstof-gesensibiliseerde zonnecellen, door een experiment met zachte röntgenstraling uit te voeren bij de High Energy Accelerator Research Organization (KEK).

Een onderzoeksgroep onder leiding van Dr. Mitsunori Honda (postdoctoraal onderzoeker; momenteel een vaste termijn onderzoeker bij de Quantum Beam Science Directorate R&D Directory van de Japan Atomic Agency (JAEA)) en Dr. Masatoshi Yanagida (Group Leader) van de Organic /Inorganic Hybrid Photovoltaics Group van het Global Research Centre for Environment and Energy based on Nanomaterials Science (GREEN; onder leiding van directeur-generaal Kohei Uosaki) van het National Institute for Materials Science (NIMS; onder leiding van president Sukekatsu Ushioda) lichtte de relatie toe tussen de fotostroom en de eigenaardige veranderingen in de absorptiestructuur die optreden in de buurt van de moleculaire elektrode-interface in kleurstof-gesensibiliseerde zonnecellen, door een experiment met zachte röntgenstraling uit te voeren bij de High Energy Accelerator Research Organization (KEK).

Kleurstofgevoelige zonnecellen trekken de aandacht als een goedkoop en zeer flexibel type zonnecellen van de volgende generatie. Echter, voor hun commerciële toepassing, het is noodzakelijk om een ​​hogere efficiëntie van de foto-elektrische conversie te bereiken (vooral in termen van de fotostroom) boven het momenteel beschikbare niveau. In kleurstofgevoelige zonnecellen, aangezien kleurstoffen licht absorberen en ladingen scheiden, de fotostroom wordt verondersteld afhankelijk te zijn van de kleurstofabsorptiestructuur, en daarom zijn opheldering en controle van de absorptiestructuur op echte apparaten onontbeerlijk voor het verhogen van de conversie-efficiëntie.

De onderzoeksgroep analyseerde de absorptiestructuur van N719, een rutheniummetaalcomplexkleurstof, met behulp van röntgenfoto-elektronenspectroscopie en röntgenabsorptie bij de randstructuuranalyse voor het onderzoeken van de elektronische structuur van kleurstofmoleculen. Normaal gesproken, N719-kleurstof wordt via een carboxylgroep (COOH) op het TiO2-oppervlak geabsorbeerd. Echter, het experimentresultaat toonde aan dat er een sterke interactie was tussen NCS- (thiocyanaatligand) en TiO2. Een dergelijke absorptiestructuur was in het vorige model niet in overweging genomen, maar zou de fotostroom hebben belemmerd.

Het experiment onthulde ook dat de sterke interactie tussen NCS- en TiO2 zou verdwijnen bij gelijktijdige absorptie van D131-kleurstof (een kleurstof die sterke lichtabsorptie-eigenschappen vertoont binnen het korte golflengtebereik en veel wordt gebruikt als co-absorptiemiddel). Het onderzoeksteam controleerde de optimale absorptiestructuur op basis van dit experimentresultaat en ontdekte dat de externe kwantumefficiëntie zou toenemen in het zichtbare lichtbereik van zonnecellen (ongeveer 0,3% toename van de foto-elektrische conversie-efficiëntie onder zonlicht).