Prof. Univ. Dr. Vasile IftodeUniversitatea Politehnica Bucures ti [626566]

Aprobat Decan,
Prof. Univ. Dr. Vasile IftodeUniversitatea Politehnica Bucures ti
Facultatea de S tiint e Aplicate
Inginerie Fizic a
PROIECT DE DIPLOM A
CELULE SOLARE CU COLORANT I ORGANICI
SENSIBILIZAT I (DSSC)
Coordonator  stiint ic:
Prof. Univ. Dr. LAURENT  IU Fara
Absolvent: [anonimizat]  Voicu
Bucure sti 2014

Radu – Ionut  Voicu
CUPRINS
1 INTRODUCERE 2
1.1 Scurt istoric al tehnologiilor fotovoltaice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Principiul de funct ionare a unei celule solare . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Parametrii celulei solare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 Generat ii de celule solare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5 Obiectivele proiectului de licent  a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 BAZELE FIZICO – CHIMICE ALE CELULELOR SOLARE
CU COLORANT I ORGANICI SENSIBILIZAT I (DSSC) 10
2.1 Aspecte teoretice ale celulelor DSSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 Principiul de funct ionare al unei celule DSSC . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3 MATERIALE PENTRU CELULE SOLARE CU COLORANT I OR-
GANICI 15
3.1 Celule solare cu electrod de TiO 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 Celule solare cu electrod ZnO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4 FABRICAREA S I TESTAREA CELULEI SOLARE CU COLORANT
ORGANIC 27
4.1 Materiale  si componente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2 Procesul de fabricare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.3 Caracterizarea celulei solare cu TiO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5 MODELAREA S I SIMULAREA NUMERIC A A CELULELOR
SOLARE CU COLORANT I ORGANICI 33
6 ANALIZA TEHNICO – ECONOMIC A S I DE MEDIU.
APLICAT II ENERGETICE 40
7 CONCLUZII 42
8 BIBLIOGRAFIE 43
9 Anex a 45
1

Radu – Ionut  Voicu
1 INTRODUCERE
1.1 Scurt istoric al tehnologiilor fotovoltaice
Cel care a descoperit c a o baterie expus a la soare produce mai mult curent electric
dec^ at una care nu este expus a, a fost Alexandre Edmond Becquerel ^ n 1839. Pentru
experimentul descoperit, el a m asurat diferent a de potent ial dintre doi electrozi de platin a
situat i unul pe fat a umbrit a  si unul pe fat a luminat a a recipientului  si i-a scufundat
^ ntr-o baie de solut ie chimic a acid a. Efectul fotoelectric a fost descoperit atunci c^ and
a expus aceast a construct ie la soare  si a observat trecerea unui curent printre electrozi.
^In anul 1873 s-a demonstrat m arirea conductivit at ii seleniului. Dup a zece ani a fost
construit a prima celul a fotoelectric a clasic a, iar ^ n 1893 s-a realizat  si prima celul a solar a
care producea electricitate.
Prima explicat ie referitoare la efectul fotoelectric a fost dat a de zicianul german
Philipp Lenard ^ n 1904, c^ and a descoperit c a lumina incident a pe anumite suprafet e
metalice elibereaz a electroni din suprafat a acestuia. ^In anul 1905, el a obt inut premiul
Nobel pentru aceast a descoperire.
Lumina era considerat a doar o energie cu diferite lungimi de und a, p^ an a c^ and ^ n 1905,
Albert Einstein, cu ajutorul teoriei cuantice a rezolvat problema explic^ and dualitatea
luminii, aceasta ind prezent a ca particul a  si ca und a ^ n acela si timp. Acesta a primit
premiul Nobel ^ n 1921 pentru proiectele sale privind fenomenul fotovoltaic.
Un pas mare ^ n direct ia celulelor, a fost descoperirea jonct iunii p-n de c atre Walther
H. Brattain, William B. Shockley  si John Bardeen ^ n anul 1949.
Prima celul a solar a a fost fabricat a ^ n laboratoarele rmei americane Bell. ^In timp
ce cercetau un redresor cu siliciu, angajat ii lui Morton Price au observat c a acesta c^ and
era expus la soare producea mai mult curent. Prin contribut ia domnilor Fuller, Chapin  si
Pearson,^ n anul 1953 rma Bell a dezvoltat primele celule solare din siliciu impuricate
cu arsen, dar care aveau un randament de 4% m arit la 6% prin schimbarea impuric arii.
^In 1958, pe satelitul Vanguard I s-au testat pentru prima dat a celule solare. Acest
satelit este dotat cu un panou solar care are 108 celule solare pe baz a de siliciu. S-au
raportat rezultate excelente  si p^ an a ast azi sondele spat iale sunt alimentate cu un curent
produs de celule solare. ^In 2011 a fost lansat a prima sond a spat ial a spre Jupiter care este
alimentat a cu un curent produs de celule solare, numit a sonda spat ial a Juno.
^In spat iu s-au atins randamente de p^ an a la 10.5%. Aceste rezultate nu puteau
realizate pe p am^ ant, iar radiat iile cosmice duc la o ^ mb atr^ anire mai rapid a a celulelor
solare dec^ at pe p am^ ant, deoarece ^ n spat iu nu se reg ase ste ritmul zi-noapte  si lumina
natural a nu este absorbit a part ial de atmosfer a  si nori.
Cercet atorii ^ ncearc a s a obt in a randamente tot mai mari  si o durat a de viat  a lung a.
Celulele solare pe baz a de siliciu au un randament teoretic de 29% ^ n condit ii de iradiat ie
solar a pe spectrul din zona de mijloc.
^In 1972, Mandelkorn  si Lamneck au introdus un strat numit black surfaces eld (BSF)
^ n stratul impuricat p, reu sind astfel s a m areasc a durata de viat  a a celulelor solare.
^In 1975 s-a redus re
exia  si s-a m arit randamentul la 16%. Aceste celule au fost
realizate pentru satelit i  si se numesc Comsat Non Re
ection (CNR). La ^ nceputul anilor
1970, criza a dus la cre sterea pret urilor produselor petroliere, duc^ and la cre sterea pret ului
energiei.
^In anul 1981, Canalul M^ anecii a fost traversat de un avion act ionat de energie solar a.
2

Radu – Ionut  Voicu
Cu timpul, celulele solare au fost dezvoltate de c atre Green, precum  si de speciali stii de
la Universitatea Stanford  si cei de la Telefunken.
C^ and au ^ nceput s a se comercializeze panourile solare, celulele aveau o form a rotund a,
p astr^ and forma barelor de siliciu din care au fost debitate. ^In ziua de azi, formele care
se folosesc sunt cele p atrate sau dreptunghiulare, av^ and colt urile tesite. P^ an a la sf^ ar situl
anilor 1990, m rimea celulelor solare era de 100*100 mm. Cu trecerea anilor au fost
introduse celulele de 125 mm  si dup a anul 2000 celulele cu latura de 150 mm se folosesc
^ n modulele standard.
Prin ^ mb atr^ anire se int elege modicarea parametrilor de funct ionare a elementelor
semiconductoare a celulelor solare ^ n timp  si ^ n special sc aderea randamentului pe par-
cursul viet ii acestora, perioada ind de cca 20 ani. ^In condit ii de utilizare terestr a, ran-
damentul scade cu cca 10%, pe c^ and ^ n spat iu acest procent se atinge ^ ntr-un timp mai
scurt datorit a c^ ampurilor de radiat ii mai puternice.
Pierderea de randament ^ n utilizare, se datoreaz a ^ n majoritatea cazurilor unor cauze
banale, independente de celulele solare. Murd arirea suprafet elor sticlei de protect ie a
modulelor, umbrirea modulelor de c atre vegetat ia din jur crescut a ^ ntre timp, muceg airea
pornind de la rama modulului, toate constituie materialul de contact ^ ntre celul a  si sticl a.
1.2 Principiul de funct ionare a unei celule solare
Celulele solare reprezint a dispozitive care transform a energia luminoas a ^ n curent
electric, baz^ andu-se pe principiul fotovoltaic. Atunci c^ and celula este iluminat a apare o
tensiune electromotoare.
Fiecare foton poate genera o pereche electron – gol, iar energia fotonilor este dat a de
relat ia:
h(eV) =hc
=1:24
(m); (1)
undeeste frecvent a undei luminoase, c reprezint a viteza luminii, h este constanta Planck
 silungimea de und a.
Dac a un electron devine liber, atunci se creeaz a o pereche electron – gol. Electronul
trebuie s a primeasc a sucient a energie, care trebuie s a e mai mare dec^ at energia benzii
interziseEgpentru a putea trece din banda de valent  a ^ n banda de conduct ie, iar surplusul
de energie se transform a ^ n c aldur a. Acest lucru este reprezentat ^ n gura urm atoare:
3

Radu – Ionut  Voicu
Figura 1: Diagrama benzilor de energie
Celula solar a este format a dintr-un strat de tip p  si un strat subt ire puternic dopat de
tip n. Regiunea de s ar acire este prezentat a ^ n urm atoarea gur a ^ n stratul p, iar lumina
este absorbit a ^ n stratul n. Fotonii ajung ^ n zona de s ar acire  si ^ n stratul p, form^ and
perechi electron – gol, deoarece acest strat este subt ire. Atunci c^ and perechea electron
– gol este format a ^ n zona de s ar acire, c^ ampul electric intern deplaseaz a electronul ^ n
stratul n, iar golul ^ n p. Dac a aceast a pereche se creaz a ^ n stratul p la o distant  a mic a
de zona de s ar acire dec^ at lungimea de difuzie, atunci electronul prin difuzie va ajunge ^ n
zona de s ar acire  si de aici ^ n stratul n datorit a c^ ampului electric intern ^ n stratul n, iar
dac a distant a este mai mare va avea loc procesul de recombinare. Din acest aspect reiese
c a trebuie ca lungimea de difuzie L s a e c^ at mai mare. Un proces asem an ator are loc
pentru perechea electron – gol c^ and aceasta este creat a ^ n stratul n. Sarcina pozitiv a se
concentreaz a ^ n stratul p, iar cea negativ a ^ n n.
Figura 2: Crearea perechii electron – gol ^ n celula solar a
4

Radu – Ionut  Voicu
Curentul de scurt circuit va curge de la stratul p la n, dac a cele dou a straturi sunt
conectate printr-un conductor.
Figura 3: Curentul de scurt circuit
^In gura urm atoare este prezentat principiul de funct ionare al unei celule solare.
Figura 4: Principiul de funct ionare al unei celule solare
5

Radu – Ionut  Voicu
1.3 Parametrii celulei solare
Principalii parametrii ai celulei solare sunt:
1) Tensiunea ^ n circuitul deschis (U cd) este tensiunea maxim a la curent zero. Aceast a
tensiune cre ste logaritmic cu intensitatea radiat iei solare  si avem urm atoarea relat ie:
Ucd=nkBT
qlnIL
I0+ 1
(2)
2) Curentul de scurtcircuit (I sc) reprezint a curentul maxim la tensiune 0. Din I=
I02
64eqU
nBkT13
75IL, se observ a c a atunci c^ and U=0, avem Isc=IL, iarIsceste
proport ional cu intensitatea radiat iei solare, adic a iradiant a.
3) Puterea de ie sire maxim a a unei celule solare se determin a din reprezentarea grac a
I-U, aceasta ind dat a de valoarea maxim a a ariei dreptunghiului care poate  tat
de sub aceast a curb a. DindI(U)
dU= 0 rezult a relat ia:
Umax=UcdnkBT
qln2
664Umax
nkBt
q+ 13
775; (3)
puterea de ies sire maxim a ind Pmax=ImaxUmax. Aceast a putere poate  numit a
putere de v^ arf a celulei solare sau "peak" la o iradiant  a de 1kW =m2.
Factorul de form a (FF) este o m asur a a calit at ii jonct iunii  si rezistent ei serie a
celulei solare  si este denit prin :
FF=UmaxImax
IscUcd; (4)
de unde rezult a c a puterea maxim a este Pmax=UmaxImax=FF
Ucd
Isc.
Dac a factorul de form a este mai aproape de 1, calitatea celulei solare este mai ridicat a.
R aspunsul spectral al celulei solare
Celula solar a r aspunde la fotonii individuali ai radiat iei solare incidente prin absorbt ia
acestora  si producerea de perechi electron – gol, av^ and condit ia ca energia fotonului E foton
s a e mai mare dec^ at energia gapului E g.
Fotonul ^ n exces fat  a de gap este disipat sub form a de c aldur a.
6

Radu – Ionut  Voicu
= = = = = = = = = = = = = = = = =
= = = = = = = = = = = = = = = = =6~
n~
n&C aldur a
% (ro su)
6 (albastru)Banda de conduct ie
Banda de valent  a
Figura 5: Crearea perechilor electron-gol  si disiparea energiei ^ n exces a gap-ului
Num arul de electroni nepe unitatea de timp care se mut a din banda de valent  a
^ n banda de conduct ie, raportat la num ul de fotoni incident i nfpe unitatea de timp
reprezint a ecient a cuantic a extern a (EQE). Ecient a cuantic a intern a EQI, este corelat a
de aceast a ecient  a extern a EQE cu ajutorul urm atoarei formule:
EQE = (1R)EQI; (5)
unde R este re
ectant a luminii.
Dac a gapul se g ase ste ^ n domeniul 1 1;6eV, se poate obt ine utilizarea maxim a a
celulei solare. Datorit a acestui fapt, conform lui Shockley  si Queisser, randamentul de
conversie maxim al celulei solare se limiteaz a la 44%. ^In cazul GaAs gapul are valoarea
1,4eV, iar la Si este de 1,1eV.
Intensitatea curentului electric generat raportat a la puterea radiat iei incidente reprezint a
r aspunsul spectral, care este un parametru al celulei solare  si acesta cre ste cu lungimea de
und a. Celulele solare nu pot utiliza toat a energia fotonilor atunci c^ and lungimile de und a
sunt scurte, iar c^ and lungimile de und a sunt mari absorbt ia slab a a radiat iei luminoase
determin a ca majoritatea fotonilor s a e absorbit i pe un drum lung de la jonct iunea de
colectare, ^ n timp ce lungimea de difuzie nit a ^ n material limiteaz a r aspunsul celulei.
R aspunsul spectral este dat de relat ia:
SR=Isc
Pin()=qne
hc
nf=q
hcEQE; (6)
iar puterea radiat iei solare incidente este notat a cu Pin().
7

Radu – Ionut  Voicu
1.4 Generat ii de celule solare
Generat ia ^ nt^ ai de celule solare, av^ and la baz a siliciul monocristalin cuprinde majori-
tatea celulelor solare existente pe piat  a la momentul actual. Cele mai performante celule
solare din generat ia ^ nt^ ai au un randament de conversie de 18%, iar la nivel de laborator
de 24.7%, randament ce poate  obt inut doar pe baza unei tehnologii foarte ranate.
Celulele cu siliciu au un pret  ridicat din cauza costurilor mari de cristalizare, puricare  si
fabricare.
Prin a doua generat ie de celule solare s-a urm arit reducerea costurilor de product ie
prin folosirea straturilor subt iri de siliciu (siliciu policristalin) sau a straturilor subt iri
de diferit i semiconductori (CdTe, CuInSe 2). De si sunt mai ieftine dec^ at cele din prima
generat ie, aceste celule solare prezint a defecte structurale, care duc la un randament mai
mic fat  a de cele din generat ia ^ ntai.
Celulele solare din a treia generat ie au un randament ridicat  si sunt sucient de ieftine.
Aceste celule se bazeaz a pe utilizarea nanotehnologiilor  si sunt ^ mpart ite ^ n trei categorii.
O prim a categorie cuprinde celule solare alc atuite din ret ele de miliarde de granule
cuantice (quantum dots). De si aceste celule permit obt inerea unui randament de 20-30%,
ele nu sunt deocamdat a comerciale.
A doua categorie are la baz a realizarea celulelor solare cu gropi cuantice. O astfel
de celula a fost realizat a pentru prima oar a de c atre Barnham  si colaboratorii de la
Imperial College din Londra, prin punerea a 50 de straturi subt iri (de cat iva nanometri)
de InGaAs (semiconductor caracterizat printr-un gap mic) ^ ntre straturi mai groase de
GaAsP (semiconductor cu gap mare), sub forma unui "sandwich". ^In condit iile radiat iei
solare concentrate, randamentul unei celule solare cu gropi cuantice este de 27%.
Cea de a treia categorie este alc atuit a din celule solare cu colorant i organici sensibilizat i
 si celule solare organice bazate pe polimeri.
Product ia de celule solare cu colorant i a fost demarat a ^ n anul 2007 de compania G-
24 Innovations Power din Marea Britanie. Gratzel a raportat cel mai bun randament al
celulelor de tip DSSC, acesta ind de 11%. Celulele cu colorant i organici sensibilizat i sunt
chiar de 3-4 ori mai ieftine dec^ at celulele solare din prima generat ie.
Spre deosebire de celulele pe baz a de siliciu, celulele polimerice au un cost de fabricat ie
mai sc azut, sunt
exibile  si au efecte negative minime asupra mediuliu ^ nconjur ator.
Celulele solare cu polimeri au capacitatea de a  prelucrate u sor cu costuri reduse  si
au performant e ridicate. Aceste celule convertesc lumina solar a ^ n electricitate cu aju-
torul unui strat subt ire fotoactiv de dimensiuni nanometrice, care este compus dintr-un
amestec de dou a materiale polimerice cu propriet at i electronice complementare. Prin
act iunea luminii, se creaz a un
ux de sarcini negative  si pozitive la interfat a acestor ma-
teriale. Celulele solare organice bazate pe polimeri se a
 a ^ n plin a dezvoltare, ating^ and
randamente de 10-11%  si av^ and timpi de funct ionare de mii de ore.
A patra generat ie de celule solare a fost lansat a recent  si utilizeaz a materiale compozite
(polimeri cu nanogranule ^ ncorporate) pentru a asigura absorbt ia ^ ntr-un spectru larg.
8

Radu – Ionut  Voicu
1.5 Obiectivele proiectului de licent  a
Aceast a lucrare de licent  a este structurat a pe 7 capitole, primul capitol ind Intro-
ducerea care det ine informat ii generale despre celulele solare: principiul de funct ionare,
parametrii celulei solare  si generat ii de celule solare. Al doilea capitol, "Bazele zico –
chimice ale celulelor solare cu colorant i organici sensibilizat i", descrie aspecte teoretice,
precum  si principiul de funct ionare al celulelor DSSC.
Al treilea capitol este structurat pe dou a subcapitole, primul subcapitol reprezent^ and
celulele solare DSSC cu electrod de dioxid de titan, iar cel de-al doilea celule solare DSSC
cu electrod de oxid de zinc.
^In capitolul patru este descris a realizarea  si fabricarea unei celule solare cu colorant
organic. ^In cadrul acestui capitol am prezentat materialele  si componentele necesare
realiz arii unei celule solare pe baz a de dioxid de titan  si antocianin a, procesul de fabricat ie
 si caracterizarea celulei solare cu electrod de dioxid de titan.
Capitolul cinci are ^ n component a sa o aplicat ie Matlab ^ n care am calculat principalii
parametrii ai unei celule cu siliciu monocristalin  si am plotat ni ste grace care s a arate
caracteristica I-V a celulelor DSSC.
^In capitolul  sase am prezentat c^ ateva aplicat ii energetice  si aspecte privind impactul
celulelor DSSC asupra mediului  si a economiei, iar ultimul capitol prezint a concluziile
proiectului de licent  a.
9

Radu – Ionut  Voicu
2 BAZELE FIZICO – CHIMICE ALE CELULELOR
SOLARE
CU COLORANT I ORGANICI SENSIBILIZAT I
(DSSC)
2.1 Aspecte teoretice ale celulelor DSSC
Celulele solare DSSC au atras un mare interes de la articolul lui Gratzel  si colabo-
ratorii s ai datorit a costurilor mici  si a randamentului de conversie mare, ^ n comparat ie
cu celulele solare convent ionale cu Si sau GaAs. ^In vederea m aririi nevoilor energetice
ale omenirii, a cre sterii polu arii  si a reducerii rezervelor de combustibil , este necesar
s a se g aseasc a surse de energie alternativ a nepoluante  si ieftine, iar celulele fotosolare
exploateaz a o resurs a inepuizabil a.
Celulele solare DSSC au atras un mare interes de la articolul lui Gratzel  si colaboratorii
s ai datorit a costurilor mici  si a randamentului de conversie mare, ^ n comparat ie cu celulele
solare convent ionale cu Si sau GaAs. ^In vederea m aririi nevoilor energetice ale omenirii, a
cre sterii polu arii  si a reducerii rezervelor de combustibil , este necesar s a se g aseasc a surse
de energie alternativ a nepoluante  si ieftine, iar celulele fotosolare exploateaz a o resurs a
inepuizabil a.
^In general, aceste sisteme se bazeaz a pe sensibilizarea lmelor de oxizi mesoscopici cu
ajutorul unui colorant sau alt compus ce poate injecta electroni prin fotoexcitare. Aceste
lme de oxizi mesoscopici sunt granule de m arime medie ^ ntre cea macroscopic a  si cea mi-
croscopic a. Dispozitivele de tip bloc prezint a o structur a tridimensional a interconectat a,
format a dintr-un lichid ionic, un oxid anorganic monocristalin ,  un conductor organic de
tip gaur a  si ofer a perspectiva costurilor sc azute de fabricare, f ar a procese care s a necesite
consum mare de energie, procese ^ n vid ^ naintate sau temperaturi ridicate.
Filmul are grosimea de 10-20 m  si este format din nanoparticule de dioxid de titan cu
diametre ^ ntre 10-30 nm, de preferat ^ n form a anataz. Filmul de dioxid de titan trebuie s a
e poros, pentru ca colorantul  si electrolitul s a poat a patrund a ^ n porii lmului. O astfel
de structur a este prezentat a ^ n gura urm atoare.
10

Radu – Ionut  Voicu
Figura 6: Prezentarea schematic a a celulei de tip Gr atzel
2.2 Principiul de funct ionare al unei celule DSSC
Celulele solare pe baz a de nanoparticule de TiO 2sensibilizate cu colorant, fat  a de
celulele solare cu siliciu au un avantaj mare datorit a costului sc azut al materialelor ce o
compun.
Dioxidul de titan reprezint a un semiconductor cu band a larg a ce cont ine trei faze
cristaline: rutile, anataz  si brookite care este ^ nt^ alnit mai rar. Cele dou a faze care se
transform a ^ n rutile la temperaturi mari sunt anataz-ul  si brookite-ul. Banda interzis a
pentru faza anataz a dioxidului de titan este de 3.2 eV, iar la rutile este de 3 eV.
Ca semiconductori ^ n DSSC se mai folosesc  si SnO 2;Fe2O3;CdSe;ZnO, iar dintre
tot i dioxidul de titan r am^ ane un semiconductor de baz a ^ n celule solare sensibilizate cu
colorant (DSSC).
Pentru ca dioxidul de titan s a absoarb a  si ^ n regiunea vizibil  si infraro su, trebuie ca
particulele de dioxid de titan s a e ^ mbr acate cu un strat, de obicei un colorant.
Celula solar a de tip Gr atzel sau sensibilizat a cu colorant este format a din doi electrozi
transparent i  si conductivi, unul ind numit working electrode sau fotoelectrodul  si este
format din particule de dioxid de titan nanocristalin a sezate pe suprafat a unui substrat
transparent  si conductor sub forma unui lm. Al doilea electrod se nume ste counter
electrode  si este format dintr-un lm de platin a depus pe sticl a.
Atunci c^ and particulele de dioxid de titan sunt iradiate cu lumin a, colorantul absoarbe
lumina, iar un electron de pe starea legat a S0trece pe un nivel superior S, iar apoi este
injectat ^ n banda de conduct ie a dioxidului de titan, l as^ and molecula de colorant ^ ntr-o
stare oxidat a S+.
S+h!S
absorbt ie.
De pe nivelul excitat Sse injecteaz a un electron ^ n banda de conduct ie a semicon-
ductorului de TiO 2.
S!S++e
TiO2
inject ie de electroni. Acest lucru este descris ^ n schema de funct ionare a celulei de mai
jos.
11

Radu – Ionut  Voicu
Figura 7: Schema de funct ionare a celulei
Dup a ce electronii str abat stratul de dioxid de titan, ei sunt transferat i prin difuzie
la stratul transparent conductor. Pe urm a, ei merg la electrodul de platin a prin sarcina
extern a, dup a care sunt transferat i ^ n electrolit.
I
3+ 2e(Pt)!3I
2S++ 3I!2S+I
3
Separarea de sarcini ^ n DSSC se bazeaz a pe un proces de transport de goluri de la
colorantul oxidat la electrolit  si pe un proces de transfer de electroni de la o molecul a a
colorantuilui la dioxidul de titan.
Aceste celule realizeaz a procesul de separare de sarcin a  si adsorbt ia optic a prin asocierea
unui sensibilizator ca material absorbant de lumin a cu un semiconductor cu band a larg a
cu morfologie mesoporoas a sau nanocristalin a.
12

Radu – Ionut  Voicu
Figura 8: Celula este format a dintr-un lm de oxid semiconductor mesoscopic plasat ^ n
contact cu un electrolit redox. Ca material semiconductor se folose ste oxidul de titan
Ca material semiconductor se mai poate folosi  si oxidul de zinc sau de niobiu, iar peste
stratul de oxid se depune ^ n monostrat sensibilizatorul.
Mecanismul de funct ionare
Fotoexcitarea sensibilizatorului duce la inject ia unui electron ^ n banda de conduct ie a
semiconductorului. Colorantul se regenereaz a prin donarea de electroni de c atre electrolit.
Aceast a regenerare blocheaz a transferul electronilor ^ napoi din banda de valent  a c atre
colorantul oxidat. Prin reducerea triiodurii la electrodul opus electrolitul se regenereaz a,
iar completarea circuitului se face prin migrarea electronilor. Voltajul generat la iluminare
corespunde diferent ei dintre nivelele Fermi ale electronilor ^ n solid  si potent ialul redox al
electrolitului.
Absorbt ia luminii ^ n monostratul de pigment este slab a, din cauz a c a suprafat a total a
ocupat a de o molecul a este mai mare dec^ at sect iunea optic a pentru absorbt ia luminii. ^In
consecint  a, este nevoie de un lm poros, nanostructurat, nu de o suprafat  a de semiconduc-
tor neted a. C^ and lumina p atrunde ^ n buretele de semiconductor, de fapt ea intersecteaz a
sute de monostraturi de colorant. Acest strat de semiconductor este un suport pentru
colorant  si colector de sarcini electrice  si conduc ator de curent.
Primele dispozitive cu DSSC utilizau ca sensibilizatori complec si de ruteniu, deoarece
ace stia prezint a o mare stabilitate ^ n timp  si avantajul unui ecient mecanism de inject ie
a electronilor ^ n stratul de oxid. Au  si dezavantaje, cum ar  costul  si disponibilitatea
limitat a deoarece cont in metale nobile.
^In ultima perioad a s-a urm arit g asirea unor colorant i organici care pot ^ nlocui com-
plec sii de ruteniu. Au fost studiate cumarinele, merocianinele, ftalocianinele, porrinele,
amestecuri de colorant i care s a absoarb a lumin a ^ n toat a zona spectrului  si naftocian-
13

Radu – Ionut  Voicu
inele care absorb selectiv ^ n zona infraro su apropiat pentru construct ia celulelor solare
transparente. Un bun sensibilizator are urm atoarele caracteristici:
– absorbt ie ^ n zona vizibil a  si ^ n infraro sul apropiat;
– prezent a unei grupe de leg atur a cu TiO 2;
– coecient i molari de extinct ie ridicat i;
–
uorescent  a;
– prezent a unui schelet cu conjugare extins a.
Celulele solare reprezint a dispozitive care transform a energia luminoas a ^ n curent
electric.
14

Radu – Ionut  Voicu
3 MATERIALE PENTRU CELULE SOLARE CU
COLORANT I ORGANICI
3.1 Celule solare cu electrod de TiO 2
^In cazul celulelor solare cu colorant i organici de sensibilizare (DSSC)  si cu electrod
de TiO 2, randamentul de conversie a energiei fotonilor ^ n energie electric a depinde de
ecient a proceselor urm atoare:
absorbt ia de fotoni;
captarea de electroni de c atre dioxidul de titan  si transferul acestora;
electronii injectat i ^ n banda de conduct ie a dioxidului de titan;
ecacitatea sistemului redox.
Absorbt ia de fotoni poate  m arit a prin cre sterea densit at ii  sau a grosimii stratului
de colorant adsorbit pe dioxidul de titan  si prin cre sterea coecientului de absorbt ie a
fotonilor de c atre colorant.
Inject ia de electroni ^ n banda de conduct ie a dioxidului de titan depinde de urm atorii
factori: nivelul orbitalului inferior neocupat al colorantului, diferent a de potent ial a benzii
de conduct ie a dioxidului de titan, de densitatea de acceptori de electroni ^ n dioxidul de
titan, respectiv de distant a dintre colorant  si suprafat a dioxidului de titan.
Electronii injectat i ^ n banda de conduct ie a dioxidului de titan se pot deplasa spre
interfat a electrod de lucru prin stratul nanoporos de dioxid de titan. Ace sti electroni
pot  absorbit i pe nivele inferioare, iar mai apoi desorbit i, astfel ^ nc^ at timpul de transfer
s a se m areasc a prin stratul nanoporos de dioxid de titan. Electronii pot  transferat i
cationului colorantului sau sistemului redox, din banda de conduct ie sau de pe nivele
inferioare. Pentru sistemul redox I=I
3, transferul se face c atre ionul I
3, care corespunde
react iei:
I
3+ 2e!3I:
Timpul de transfer al unui electron din banda de conduct ie a dioxidului de titan
c atre cationul colorantului este cuprins ^ ntre 109 si 103s, iar timpul de reducere de
c atre sistemul redox al cationului este mai mic de 105s. Timpul de reducere depinde
de concentrat ia de I^ n solut ia de electrolit  si de natura contracationului din sistemul
redox. Pentru a obt ine o vitez a de reducere acceptabil a, adic a o vitez a de reducere mai
mare dec^ at viteza de transfer a electronului de la dioxidul de titan la sistemul redox,
concentrat ia de I, c^ at  si contracationul trebuie s a e ale si convenabil.
Captarea  si transferul de electroni de c atre dioxidul de titan este funct ie de lungimea
de difuzie a electronilor ^ n dioxidul de titan:
L= (D)1
2;
undereprezint a timpul de viat  a al electronilor ^ n stratul nanoporos de dioxid de titan
 si D este coecientul de difuzie a electronilor ^ n dioxidul de titan. L reprezint a lungimea
de difuzie, iar aceasta trebuie s a e mai mare dec^ at grosimea w a stratului nanoporos
15

Radu – Ionut  Voicu
de dioxid de titan. Pentru celulele cu electrod de dioxid de titan  si colorant pe baz a de
complec si ai ruteniului (Ru), grosimea w trebuie s a e cuprins a ^ ntre 10 30m.
Timpul de viat  a al electronilor pentru celulele solare cu colorant i organici este mult
mai mare dec^ at cel ^ n cazul celulelor solare convent ionale  si depinde de intensitatea lu-
minii absorbite de colorant.
Dioxidul de titan
Electrozii din dioxidul de titan nanoporos sunt alc atuit i din suspensie coloidal a de
dioxid de titan, care se aplic a pe electrodul de lucru optic transparent ^ n strat subt ire;
lmul este sinterizat la 450 550C. Dioxidul de titan se g ase ste ^ n numeroase sorturi
comerciale, dar nu toate prezint a caracteristicile necesare obt inerii unor celule solare cu
randament ridicat. Exist a unele diferent e ce constau ^ n gradul de cristalinitate, ^ n di-
mensiunea  si structura cristalelor  si distribut ia gropilor de potent ial. Aceste diferent e
in
uent eaz a coecientul de difuzie D, timpul de viat  a , ce reprezint a caracteristici de
baz a ale electronilor, c^ at  si randamentul celulei.
^In tabelul urm ator sunt prezentate valori ale coecientului de difuzie D pentru elec-
trozi nanoporo si fabricat i din tipuri diferite de particule de dioxid de titan. Cre sterea
coecientului de difuzie este in
uent at a de temperatura de ^ nc alzire ce cre ste de la 450C
la 550C  si de structura  si dimensiunile particulelor.
Simbolul Structura Forma Dimensiunea Coecientul de difuzie,
probei particulei (nm) D
105(cm2s1)
S1 A Sferic a 19 12
S2 A=Amor Sferic a 22 2.2
S2=TiCl 4 A=Amor Sferic a 22 2.2
A2 A Cubic a 22 0.3
A2=550 A Cubic a 22 2
A3 A Bar a 13/34 4
A4 A Cubic a 11 4.1
P25 A/R Sferic a 21 4
P25M A/R Sferic a 21 4
R1 R Sferic a 27 0.1
R1TiCl 4 R Sferic a 27 0.4
R2 R Bar a 23/73 0.3
Table 1: Caracteristicile coecient ilor de difuzie ^ n electrozii nanoporo si de dioxid de titan
16

Radu – Ionut  Voicu
unde:
S1reprezint a un preparat prin hidroliza solut iei apoase de TiCl 4;
S2este un preparat prin hidroliza tetrapropoxidului de titan ^ n prezent a acidului
azotic;
S2=TiCl 4este un preparat tratat cu solut ie apoas a de TiCl 4;
A reprezint a o structura de TiO 2anatas, A morstructur a de TiO 2amorf, iar R rutil;
A2=550 reprezint a o structura de TiO 2^ nc alzit a la 550;
P25M este o structur a de dimensiuni mari ce cont ine 20% TiO 2.
Un parametru important^ n prepararea electrozilor poro si de dioxid de titan^ l reprezint a
temperatura de ^ nc alzire. Pentru a forma punt i ^ ntre particulele de dioxid de titan este
necesar a o temperatur a c^ at mai mare, acest proces ind caracterizat prin
reducerea suprafet ei specice a electrodului. Cre sterea temperaturii de sinterizare
in
uent eaz a  si coecientul de difuzie D, conduc^ and la cre sterea acestuia.
Un dezavantaj al cre sterii temperaturii de sinterizare ^ l prezint a faptul c a stratul
nanoporos se poate desprinde de suportul s au transparent la lumin a. Acest aspect se
datoreaz a diferent ei de coecient de dilatare ^ ntre cele dou a tipuri de materiale.
Pentru fabricarea celulelor solare
exibile, electrodul transparent din sticl a se^ nlocuie ste
cu o folie de polimer, iar temperatura de sinterizare se reduce la 150C, deoarece nu su-
port a ^ nc alziri peste 200C. Dac a dioxidul de titan cont ine  si faz a amorf a, atunci exist a
o diferent  a foarte mic a ^ ntre coecient ii de difuzie pentru electrozii format i la 150C  si
450C. Aceast a comportare este datorat a fazei amorfe care act ioneaz a ca un liant ^ ntre
particulele de dioxid de titan.
Depunerea stratului nanoporos de dioxid de titan se poate face prin depunere chimic a
de vapori (CVD)  si prin depunere prin pulverizare, urmat a de piroliz a (CPD).
Metoda CVD
Pentru aceast a metod a se folose ste ca substrat sticl a acoperit a cu SnO 2, iar ca pre-
cursor tetrapropoxidul de titan,
0
BBBB@H3C
CH O
H3C1
CCCCAbb
##Ti
4
Temperatura este cuprins a ^ ntre 285C  si 450C, iar timpul necesar depunerii este
cuprins ^ ntre 3090 min. Debitul gazului purt ator, azotul, este de 9 89 l=h, iar debitul
de aer, sursa de oxigen ^ n react ie, de 9 153 l=h.
17

Radu – Ionut  Voicu
La temperaturi mai joase, aproape de temperatura minim a, 285C, depunerile sunt
neomogene  si foarte slabe pe substrat. La temperaturi de 450C, dioxidul de titan este
depus sub form a de anatas ^ n lme de grosimi ^ ntre 130 185 nm.
Metoda de depunere chimic a din vapori este potrivit a suprafet elor mici  si geometriilor
simple ale suportului.
Metoda CPD
Metoda de depunere prin pulverizare  si piroliz a a stratului de dioxid de titan foloses ste
ca precursori solut ii etanolice de tetraizopropoxid de titan (TIPT) sau solut ii apoase de
tetraclorur a de titan (TiCl 4). Acetilacetona (AcAc), care este un agent surfactant, se
folose ste pentru reglarea morfologiei straturilor.
Pe suport se pot obt ine straturi dense sau straturi poroase de dioxid de titan. ^In cazul
straturilor dense de TiO 2raportul volumic este
TIPT :AcAc :Etanol = 1 : 1:5 : 22:5 la 350C;
iar apoi urmeaz a un tratament la 450C timp de o or a. Pentru straturile poroase de TiO 2,
raportul volumic utilizat este
TIPT :AcAc :Etanol = 1 : 1:5 : 22:5 la 450C;
urm^ and apoi o r acire lent a.
Celulele solare cu colorant au un randament ridicat dac a diametrul particulelor de
dioxid de titan este cuprins ^ ntre 10 si 20 nm. Diametrul particulelor in
uent eaz a coe-
cientul de difuzie, astfel ^ nc^ at, dac a diametrul particulelor cre ste, cre ste  si coecientul de
difuzie, echivalent cu o sc adere a suprafet ei specice a stratului nanoporos. Dac a gropile
de potent ial sunt amplasate la suprafat a particulelor, cre sterea diametrului particulelor
sau sc aderea suprafet ei specice determin a o sc adere a densit at ii gropilor de potent ial,
av^ and drept consecint  a o cre stere a coecientului de difuzie D.
Datorit a sc aderii sect iunii transversale a electrodului, rezistent a la trecerea electronilor
cre ste o dat a cu cre sterea diametrului particulelor. Valorile coecientului de difuzie trec
printr-o valoare maxim a care corespunde unui anumit diametru. ^In acest fel se explic a
randamentul maxim pentru diametrul particulelor de dioxid de titan cuprins ^ ntre 10  si
20 nm.
Diferitele tratamente ale suprafet ei particulelor au un rol important ^ n transportul de
electroni spre banda de conduct ie a dioxidului de titan. Timpul de inject ie a electronului
^ n cazul colorantului pe baz a de ruteniu (Ru) este foarte mic, mai precis de ordinul
picosecundelor. Dac a suprafat a particulelor de dioxid de titan ar  acoperit a de materiale
izolatoare, de exemplu: Al(OH) 3, La(OH) 3, Zn(OH) 2, Mg(OH) 2sau cu un strat de oxid
metalic, atunci timpul de inject ie s-ar reduce put in, far a afectarea randamentului celulei.
^Ins a, transferul electronilor din banda de conduct ie spre cationul colorantului sau c atre
sistemul redox s-ar reduce^ n acela si timp, considerabil. Aceste fenomene reduc ecacitatea
transportului de electroni.
18

Radu – Ionut  Voicu
Sistemul redox
Sistemul redox are rolul de a transfera electroni de la contraelectrod la colorant. I=I
3
(Lil + I 2+ acetonitril ca solvent) reprezint a cel mai cunoscut sistem redox  si se obt ine din
Lil (sau KI)  si I 2, conform react iei:
Li+I+ I2!Li+I
3
Iodul (I 2) poate coroda sau sublima contraelectrodul, de aceea s-a ^ ncercat ^ nlocuirea
lui cu complec si de cobalt (Co) sau de cupru (Cu), numai c a aceste sisteme noi prezint a
o ecient  a mai mic a comparativ cu sistemul I=I
3. Datorit a mecanismelor de trans-
fer ale electronilor, timpul de viat  a al fotoelectronilor din dioxidul de titan depinde de
concentrat ia I si I
3.
Solvent i
Solubilitatea componentelor sistemului redox, punctul de erbere  si v^ ascozitatea
reprezint a caracteristicile ^ n funct ie de care se aleg solvent ii pentru sistemul electrolit.
Solvent ii ce prezint a o v^ ascozitate sc azut a asigur a o vitez a mare de reducere a cationului
colorantului de c atre ionul I si o conductivitate m arit a, dar au punctul de erbere sc azut
 si se evapor a ^ n timp.
Solvent ii cu v^ ascozitate mare se evapor a mai greu, dar mic soreaz a transferul de elec-
troni din banda de conduct ie spre I
3, prin mic sorarea num arului de ciocniri.
La o concentrat ie sucient a de ioni I, ace sti solvent i asigur a o ecacitate acceptabil a
pentru celul a.
Acetonitrilul (AN)  si carbonatul de propilen a (PC) sunt principalii solvent i ce se
folosesc pentru sistemul electrolit. Pentru a m ari viteza transferului de electroni, se poate
ad auga o serie de aditivi^ n electrolit. ^In unele situat ii, aditivii ret in ionii de Li+ si formeaz a
complec si care nu se mai adsorb pe suprafat a dioxidului de titan, astfel elimin^ and efectul
negativ al acestor ioni asupra
uxului de electroni din banda de conduct ie a dioxidului de
titan.
Colorant i de sensibilizare
Rolul colorant ilor ^ n celulele solare este de a absorbi lumina  si de a folosi energia
fotonilor pentru a injecta electroni ^ n banda de conduct ie a dioxidului de titan. Datorit a
colorant ilor complec si bipiridinici cu ruteniu, ce se absorb pe suprafat a dioxidului de titan
prin funct ii specice (-COOH, SO3H) s-a obt inut cel mai bun randament.
Un complex al ruteniului ^ l reprezint a colorantul N3, care are doi liganzi bipiridinici
substituit i  si doi liganzi izotiocianinici (-NCS). ^In cazul acestui colorant, spectrul de
absorbt ie ajunge p^ an a la 800 nm, dar tensiunea de scurtcircuit r am^ ane relativ mic a.
Lumina este absorbit a de metalul complexului (Ru), iar sarcina electric a este transmis a
prin bipiridil  si gruparea carboxil spre banda de conduct ie a dioxidului de titan. Ligandul
-NCS are rolul de a l argi spectrul de absorbt ie p^ an a la 800 nm.
^In gura urm atoare este reprezentat a structura colorantului N3.
19

Radu – Ionut  Voicu
Figura 9: Colorant i pe baz a de complec si ai Ru
O structur a similar a cu cea a colorantului N3 o reprezint a colorantul N719, care ^ n
loc de doi H+de la dou a grup ari carboxilice are cationi tetrabutilamoniu, care ajut a la
cre sterea diferent ei de potent ial de scurtcircuit.
Ceulele cu colorant ii de sensibilizare N3  si N719 se degradeaz a ^ n timp, datorit a
moleculelor de ap a care p atrund ^ n electrolit  si desorb colorantul de pe suprafat a
dioxidului de titan.
Colorantul Z907 este un alt colorant folosit ^ n celulele solare ce are o caten a alchil
hidrofob a ata sat a de un ligand bipiridinic, care respinge moleculele de ap a de la interfat a
colorant – dioxid de titan. Acest colorant asigur a funct ionarea unei celule solare p^ an a la
1000 de ore de iluminare continu a.
Ruteniul are un pret  ridicat, de aceea s-a ^ ncercat ^ nlocuirea lui cu alte elemente, cum
ar  er (Fe)  si osmiu (Os). ^In cele din urm a, acest colorant nu s-a mai ^ nlocuit, deoarece
complexul Fe produce un curent slab, iar complec sii cu Os sunt scumpi  si toxici.
Colorant ii organici pot ^ nlocui  si ei complec sii de ruteniu. Prin folosirea colorant ilor
benzotiazol merocianinici, cumarinici, indolinici, polienici sau cianinici randamentul unei
celule este de 4-8%.
Colorant ii cianinici absorb pe domenii ^ nguste din spectrul vizibil. Dac a se folose ste
un amestec de colorant i cianinici, atunci domeniul de absorbt ie se poate l argi. O celul a
cu colorant i cianinici are randamentul maxim al conversiei energiei luminoase de 3.9%.
^In urm atoarea gur a este reprezentat a structura colorant ilor cianinici.
20

Radu – Ionut  Voicu
Figura 10: Colorant i cianinici
3.2 Celule solare cu electrod ZnO
Mecanismul transportului de electroni
Mecanismele transferului de electroni ^ nt^ alnite ^ n component a celulelor solare cu elec-
trozi din ZnO nanostructurat  si sensibilizat cu colorant i organici sunt asem an atoare celor
care se g asesc la celulele cu TiO 2:Dac a ^ nt^ alnim diferent e, acestea sunt datorit a faptului
c a se folosesc diverse materiale cu caracteristici zico-mecanice  si optoelectronice diferite.
Rata de succes a celulor solare cu electrod ZnO nanostructurat  si colorant i organici de
sensibilizare nu dep a se ste 4-5%, ins a prin optimizare, se poate m ari randamentul acestora,
fapt ^ nt^ alnit  si ^ n cazul celulelor bazate pe TiO 2:
Componentele unei celule cu electrod de ZnO nanostructurat sunt:
Oxidul de zinc
Oxidul de zinc este un material atr ag ator, acesta ind ales de c atre cercet atori in
construirea dispozitivelor cu structuri nanometrice  si utiliz ari optoelectronice, datorit a
faptului c a este un semiconductor cu o band a de conduct ie larg a, care poate  dopat at^ at
n, c^ at  si p. Gradul de mobiliate este mai ridicat ^ n ZnO dec^ at ^ n TiO 2, ^ n timp ce limita
benzii de conduct ie se gase ste relativ la acela si nivel pentru cei doi oxizi.
21

Radu – Ionut  Voicu
Proprietate ZnO TiO 2
Structur a cristal Wurtzit Anatas
Constante ale ret elei cristaline
a 3.25 3.78
c 5.12 9.51
Densitate (g cm3) 5.6 3.79
Constanta dielectric a static a, "S 7.9 31
Constanta dielectric a optic a, "1 3.7 6.25
Banda de conduct ie optic a, Eobg(eV) 3.2 3.2
Masa efectiv a a electronului, me (0:140:3)me1me
Masa efectiv a a golului, mn 0.45 – 0.6me 0.8me
Mobilitatea electronului, e(cm2=V s) 200 30
Punct de sarcin a zero (pH) 8 – 9 5.5
Table 2: Propriet at i ale ZnO (wurtzit)  si TiO 2
Datorit a problemelor care apar la adsorbt ia colorantului pe stratul nanoporos de oxid
de zinc, ^ n cazul celulelor cu ZnO ^ nt^ ampin am un nivel mai sc azut de performant  a. Astfel,
stabilitatea chimic a a ZnO este mai mic a dec^ at a TiO 2:
Oxidul de zinc poate  obt inut prin numeroase procedee de fabricat ie: sol – gel,
depunere chimic a, electrodepunere  si procedee ^ n faz a de vapori. Aceste procedee au
ca rezultat particule sferice, bare, re sau tuburi ce sunt goale ^ n interior. ^In tabelul de
mai sus au fost selectate o parte din propriet at ile ZnO (wurtzit)  si TiO 2anatas:
Defectele intrinseci sau ^ ncorporate au ca efect conductivitatea electric a a oxidului de
zinc care act ioneaz a ca donori de tip n. Adesea, ZnO este dopat cu Al sau F pentru a
forma semiconductori n cu conductivitate ridicat a. Mi scarea electronilor, de si este mare
^ n cristalul pur, se reduce cu doparea din cauza difuziei electronilor pe impurit at i  si se
intensic a ^ n cazul ZnO policristalin sau nanocristalin.
Sinterizarea nanoparticulelor de ZnO se poate face prin diverse metode.
^In tabelul urm ator sunt enumerate principalele metode de a
are a ZnO nanostructurat.
Metode de preparare Morfologia ZnO
Sinteza din solut ii neapoase Nanoparticule sferice, nanobare
Precipitare controlat a, solut ie apoas a Particule agregate
Sinteza hidrotermal a Nanobare
Electrodepunere Nanocoloane pe suport
Filme nanostructurate pe suport
Depunere chimic a ^ n baie Nanobare, nanolamente pe suport
Nanotuburi pe suport
Depunere vapori – lichid – solid Nanobare, nanolamente pe suport
Table 3: Metode de preparare a nanostructurilor de ZnO
22

Radu – Ionut  Voicu
Nanoparticulele de ZnO cristalin se formez a la temperatura camerei^ n solut ii neapoase:
o solut ie de acetat de Zn este combinat a cu o cantitate echimolar a de hidroxid. Se obt ine
o solut ie transparent a coloidal a de particule nanometrice de ZnO. ^Inc alzind solut ia la
re
ux, obt inem nanobare de ZnO.
Putem obt ine lme din ZnO ^ n urma depunerii unei dispersii de nanoparticule pe
un suport conductor, continuat a de un tratament termic. Folosim ca suport sticla cu un
strat subt ire, conductor  si transparent de SnO 2dopat de F sau Sn dopat cu In 2O3:
De asemenea lmele de ZnO se pot forma  si direct pe suport ^ n timpul sintezei, prin
depunere chimic a la o temperatur a mai mic a de 150C direct din precursori  si ^ n prezent a
unor agent i de chelatizare.
O alt a metod a de obt ire a ZnO nanostructurat direct pe suport este electrodepunerea.
Putem obt ine lme cu o anumit a morfologie  si grosime prin reglarea convenabil a a
potent ialului, densit at ii de curent, reactant ilor, concentrat iei, temperaturii de depunere  si
timpului. De asemenea se pot forma  si nanocoloane de ZnO pe anumite tipuri de suport.
Alte metode pentru sinteza ZnO ar  oxidarea controlat a a Zn ^ n solut ie  si formarea ZnO
din precursori ^ n faz a de vapori la o temperatur a de 900C:
Colorantul de sensibilizare
O etap a esent ial a ^ n fabricarea celulelor solare o reprezint a procesul de sensibilizare
a electrodului de ZnO nanostructurat. Procesul de sensibilizare la electrodul de ZnO
este unul mult mai complicat dec^ at ^ n cazul electrodului de TiO 2;unde sensibilizarea
se f acea prin imersarea acestuia ^ n solut ie 0.5 mM de colorant ^ n etanol. Astfel pentru
sensibilizarea ZnO se folosesc ^ n mod frecvent colorant ii complec si ai ruteniului cum ar :
cis – bis (izotiocianat) bis (2,2 – bipiridil – 4,4 – dicarboxil) – Ru (II)  si cis – bis (izotiocianat)
bis (2,2 – bipiridil – 4,4 – dicarboxil) – Ru (II) – bis – tetrabutilamoniu, cunoscut i  si sub
denumirile de N 3,  si, respectiv N719.
^In continuare voi enumera etapele procesului de sensibilizare:
difuzia colorantului ^ n ZnO nanostructurat
dizolvarea atomilor de Zn de la suprafat a ZnO
formarea unui complex colorant – Zn2+- colorant ^ n porii ZnO.
Formarea acestui complex determin a o reducere a ecacit at ii de inject ie a electronilor
^ n band a de conduct ie a ZnO nanostructurat.
O metod a captivant a pentru sensibilizarea stratului nanoporos de ZnO const a ^ n elec-
trodepunerea ZnO din s aruri solubile ^ n ap a ale zincului, ^ n prezent a unui oxidant  si a
unui colorant. Pe stratul de ZnO, ^ n cre stere prin funct iunile – COOH sau – SO 3H sunt
aborbite moleculele de colorant.
23

Radu – Ionut  Voicu
Comparat ie ^ ntre celulele solare cu ZnO  si TiO 2
Celulele solare cu electrozi nanostructurat i din TiO 2 si ZnO sensibilizat i cu colorant i
organici prezint a o mare
exibilitate ^ n alegerea elementelor ce contribuie la realizarea lor
 si permit o reglare n a a propriet at ilor celulei.
^In urm atorul tabel sunt prezentate randamentele unor celule solare cu electrod de
ZnO, av^ and diferit i agent i de sensibilizare.
Dimensiunea Agent de Intensitatea Randament
particulelor sensibilizare luminoas a (ecient a)
(nm) (W=m2) (%)
150 N719 100 5
11 N719 1000 4.1
5 MDMO – PPV 710 1.6
Cristal poros Eozin a Y 1000 2.3
Filamente CdSe 360 2.3
100150
Filamente N719 1000 1.5
130200
ZnO lm N719 1000 3.9
Table 4: Randamentul celulelor solare cu electrod de ZnO
Select ia oxidului metalic pentru electrodul nanostructurat va in
uent a pozit ia benzii
de conduct ie, limitele acestora, transportul electronilor, densitatea st arilor
electronice  si randamentul general al celulei. Cele mai importante caracteristici ^ n pro-
cesul de optimizare pentru ecare tip de oxid sunt: dimensiunile particulelor, grosimea,
starea suprafet ei acestora  si porozitatea lmului de oxid depus. De asemenea  si restul
componentelor: colorantul de sensibilizare, contraelectrodul, sistemul redox au un rol ^ n
stabilirea randamentului total al celulelor solare.
Randamentul general de conversie a energiei solare pentru celulele solare cu electrod
nanostructurat din TiO 2 si colorant de sensibilizare este de peste 10%. Pe c^ and ^ n cazul
celor cu electrod de ZnO, acel randament general nu dep a se ste 5%. C^ ateva exemple de
randament al celulelor solare cu electrod nanostructurat de ZnO sunt prezentate^ n tabelul
de mai sus.
S-au efectuat studii asupra celulelor din nanoparticule de SnO 2acoperite de ZnO  si
colorant N719 care au ar atat c a se poate obt ine un randament de 6.3%. Cunoa sterea,
 apoi optimizarea fenomenelor de transport electronice  si energetice permit cre sterea
valorii celulelor cu ZnO p^ an a la nivelul cerut de utiliz arile practice.
24

Radu – Ionut  Voicu
Procese energetice
Pentru ca o celul a cu electrod oxid metalic  si colorant s a funt ioneze, colorantul trebuie
s a absoarb a o mare parte din lumina incident a. Acest proces este controlat de diferent a
de energie dintre cel mai ^ nalt orbital molecular ocupat  si cel mai de jos orbital molecular
neocupat din colorant.
Electronul imediat ce ajunge pe nivelul celui mai jos orbital molecular neocupat,
absoarbe un foton, fapt ce conduce la injectarea acestuia ^ n banda de conduct ie a ZnO.
Acest proces se desf a soar a ^ n condit ii optime doar dac a exist a o suprapunere part ial a
^ ntre nivelele energetice din starea excitat a a oxidului metalic  si colorantului. Studiile de
spectroscopie fotoelectronic a au ar atat c a folosind colorantul N3, nu sunt diferent e din
acest punct de vedere ^ ntre ZnO  si TiO 2:
Procese de transfer electronic
Circulat ia electronilor pentru celule solare cu electrod de ZnO este asem an atoare cu cea
a celulelor solare cu electrod de TiO 2, proces descris ^ n continuare. Colorantul absoarbe
un foton, iar c^ and electronul ajunge pe un nivel energetic superior este injectat ^ n banda
de conduct ie a ZnO. Apoi este adunat de substratul pe care este depus ZnO, trece prin
circuitul extern la contraelectrod  si sistemul redox se re^ ntoarce la colorant, pe care ^ l
reduce.
Procesele de tranzit ale transferului electronic sunt urmate  si de react ii care reduc
randamentul total al celulei, la fel ca ^ n cazul TiO 2, dar cu c^ ateva diferent e ce vor
prezentate mai jos.
Randamentul de conversie este dat de formula:
T=
inj
red
c; (7)
unde
T- randamentul total al celulei;
- randamentul absorbt iei luminii de o anumit a lungime de und a;
inj- randamentul inject iei electronului ^ n band a de con duct ie a oxidului metalic
(electrod nanostructurat);
red- randamentul de reducere a colorantului de c atre sistemul redox;
c- randamentul colect arii electronilor injectat i, pe suportul conductor.
Conform studiilor experimentale exist a diferent e ^ n inject ia electronilor, ^ n banda de
conduct ie a celor doi electrozi, ZnO  si TiO 2. Chiar dac a nivelele energetice ale benzilor
ZnO  si TiO 2sunt asem an atoare, densitatea electronic a  si structura sunt diferite. ^In ZnO,
banda det ine orbitali de tipul 4s  si 4p, pe c^ and ^ n TiO 2g asim numai orbitali de tip 3d.
Existent a acestor diferent e determin a un randament de inject ie mai sc azut ^ n cazul ZnO
dec^ at ^ n cazul TiO 2:
O parte din rezultatele experimentale aplicate sistemului N3 – ZnO precizeaz a c a
inject ia nu se face cu aceea si vitez a pentru tot i electronii, ci ^ n nivele de la fs la ps  si ns,
^ n timp ce pentru cel alalt sistem N3 – TiO 2timpul de inject ie pentru electroni este ps.
25

Radu – Ionut  Voicu
Dup a inject ia electronilor, sistemul redox ( II
3) trebuie s a reduc a forma oxidat a a
colorantului. Poate ap area o react ie nedorit a cum ar  reducerea colorantului de c atre
electronii deja injectat i ^ n banda de conduct ie a oxidului metalic.
Timpii de reducere a colorant ilor N3  si N719 pentru dioxidul de titan de c atre ionul de
electrolit sunt similari cu timpii de reducere ^ n cazul oxidului de zinc, av^ and valori ^ ntre
0.1  si 10s. Pentru react ia de recombinare a electronilor injectat i cu colorantul oxidat
s-au g asit pentru sistemele N719/ZnO  si N719/TiO 2valori de 0.3 s (50%)  si 300 s
(50%). Aceste valori arat a c a inject ia electronilor este preferat a recombin arii acestora cu
colorantul oxidant.
Electronii injectat i ^ n banda de conduct ie a oxidului metalic, ^ n mod ideal trebuie s a
e colectat i de c atre substratul conductor pe care este depus oxidul monostructurat: o
parte din ace sti electroni revin ^ n electrolit  si se recombin a cu forma oxidat a a sistemului
redox.
A fost m asurat timpul de viat  a al electronilor ^ n ZnO sensibilizat cu eozin a-Y, ^ n
condit iile unui circuit deschis  si se folosesc dou a tipuri de nanostructuri. Pentru un lm
nanostructurat obt inut din particule de 30 nm, timpul de viat  a a fost de patru ori mai
mare dec^ at ^ n cazul unui lm subt ire obt inut prin electrodepunere, unde particulele au
dimensiuni mult mai mici. Explicat ia const a ^ n faptul c a, ^ n cazul electrodului obt inut
prin electrodepunere, distant a dintre electronii din ZnO  si I
3din electrolit este mai mic a
dec^ at ^ n cazul electrodului format din particule de 30 nm.
Folosind condit ii experimentale similare, s-a constatat c a timpul de viat  a al electronilor
este mai mare ^ n cazul ZnO fat  a de TiO 2 si c a react ia electronilor din oxidul metalic  si
I
3din electrolit este de ordinul doi at^ at pentru ZnO, c^ at  si pentru TiO 2.
Referitor la transportul electronilor prin stratul de ZnO nanostructurat, s-a constatat
c a mobilitatea electronilor este cu patru ordine de m arime mai mic a dec^ at ^ n cristalul
ideal. De asemenea, viteza de transport prin ZnO sensibilizat cu eozin a cre ste mai repede
cu intensitatea luminoas a comparativ cu TiO 2. De si mobilitatea electronilor ^ n cristalul
de ZnO este mai mare dec^ at ^ n cel de TiO 2(anatas), ^ n lmele de ZnO  si TiO 2
nanostructurate av^ and cristalite similare, mobilitatea este comparabil a. Timpul de viat  a
al electronilor este mai mare dec^ at timpul de transport prin electrodul nanostructurat
at^ at pentru ZnO, c^ at  si pentru TiO 2, fapt care conduce la un randament foarte bun de
colectare a electronilor pe suportul electroconductor al electrodului celulei.
26

Radu – Ionut  Voicu
4 FABRICAREA S I TESTAREA CELULEI SOLARE
CU COLORANT
ORGANIC
4.1 Materiale  si componente
Pentru realizarea celulei am folosit urm atoarele materiale:
– sticl a TCO (2x2cm) cu o suprafat  a conductoare electric (oxid de indiu-staniu)
– antocianin a, colorant extras din zmeur a;
Pl acile din sticl a de TCO sunt conductoare doar pe o parte. Depunerea de materiale se
efectueaz a doar pe partea conductoare a sticlei. Stratul de TCO este caracterizat printr-o
suprafat  a mai aspr a.
4.2 Procesul de fabricare
Pentru realizarea unei celule solare cu colorant organic este depus a pe o sticl a con-
ductoare o solut ie de dioxid de titan alcatuit a din nanoparticule. Pudra de dioxid de
titan este un semiconductor cu gap mare, ieftin a  si abundent a ^ n natur a. Filmul de dioxid
de titan este ^ ncalzit, form^ and o structur a poroas a, similar a unui burete. Placa de sticl a
ce cont ine aceast a structur a de dioxid de titan este cufundat a ^ n colorant, adic a ^ ntr-o
solut ie pe baz a de ruteniu ro su (Ru). Moleculele de colorant se ata seaz a prin adsorbt ie
ec arei particule de dioxid de titan, act ion^ and ca absorbant primar al radiat iei solare. O
pic atur a de elctrolit lichid, cont in^ and iodur a I, este plasat a pe lm pentru a se strecura
^ n porii membranei. Un strat catalitic subt ire de carbon sau platin a este depus pe un
electrod de sticl a conductoare, care este pozit ionat a ^ n partea superioar a. Rezultatul este
un "sandwich" iluminat prin partea cu dioxidul de titan, ^ n care radiat ia incident a este
absorbit a de moleculele de colorant.
^In acest subcapitol voi prezenta realizarea unei celule fotovoltaice pe baz a de
dioxid de titan  si antocianin a. Antocianina reprezint a o substant  a care se g ase ste ^ n
fructele de p adure  si este un ^ nlocuitor al ruteniului.
Pentru realizarea lmului de dioxid de titan am folosit 0.5g TiO 2 si l-am amestecat
^ mpreuna a cu pic aturi de acid acetic p^ an a c^ and devine o past a.
Am folosit sticl a cu suprafat  a conductoare electric (oxid de indiu-staniu). Utiliz^ and un
aparat de m asur a setat pentru m asurarea rezistent ei am g asit partea conductoare. Sticla
se ^ nconjoar a cu band a izolatoare pe trei laturi(aproximativ 5 mm pe ecare parte), av^ and
partea conductiv a ^ n sus.
Folosind o baghet a din sticl a, dioxidul de titan se aplic a pe partea conductoare de sticl a
oxid de indiu-staniu. Se las a s a se usuce natural, apoi se ^ ndep arteaz a banda izolatoare,iar
excesul de dioxid de titan se cur at  a.
27

Radu – Ionut  Voicu
Figura 11: Aplicarea stratului de dioxid de titan
Am ^ nc alzit sticla pe un re sou la 350C ^ ntr-un timp de 30 minute.
Figura 12: Stratul de dioxid de titan dup a ^ nc alzirea sticlei
Pentru a extrage antocianina se zdrobesc fructele, iar sucul l asat se toarn a peste
sticla cu dioxid de titan. Se las a 10 minute p^ an a c^ and colorant ii antocianinei se absorb ^ n
dioxidul de titan. Pentru a cur at a sticla de buc at ile de zmeur a r amase  si de alte substant e,
se toarn a cu grij a un amestec de ap a  si alcool, l as^ andu-se apoi la uscat.
28

Radu – Ionut  Voicu
Figura 13: Dioxidul de titan dup a ce a fost introdus ^ n colorant
Se ia o lamel a din sticl a indiu-staniu  si se trece partea conudctoare prin
ac ara unei
lum^ an ari de mai multe ori pentru a o ^ nnegri. Cenu sa format a catalizeaz a transferul
redox, iar excesul de funingine de pe margini se ^ ndep arteaz a.
Agentul redox  si electrolitul se produc prin amestecarea a 127mg de cristale de iod cu
830mg de iodur a de potasiu  si 10ml etilen glicol. Compozit ia se amestec a bine p^ an a c^ and
se dizolv a complet. Pe lamela cu dioxid de titan se pun c^ ateva pic aturi de electrolit, iar
peste ea se a seaz a lamela cu funingine.
Figura 14: Lamel a cu funingine
29

Radu – Ionut  Voicu
Lamelele se leag a ^ mpreun a, partea pozitiv a ind cea acoperit a de funingine, iar partea
negativ a cea cu dioxid de titan.
Figura 15: Celul a solar a cu dioxid de titan  si antocianin a
30

Radu – Ionut  Voicu
4.3 Caracterizarea celulei solare cu TiO2
Celulele solare cu colorant i organici sensibilizat i sunt remarcabile datorit a analogiei
cu fotosinteza natural a, deoarece utilizeaz a colorant i organici care absorb lumin a  si folos-
esc straturi multiple pentru ^ mbunatat irea absorbt iei  si a randamentului de colectare a
energiei solare.
Figura 16: Schema principiului de funct ionare a unei celule DSSC cu electrod de dioxid
de titan
Electronii fotoinjectat i se mut a la electrodul cu oxid conductor transparent (TCO)
prin ret eaua de TiO 2. Transportul electronilor se face prin difuzie, t in^ and cont c a ex-
ist a un c^ amp electric macroscopic neglijabil ^ n interiorul stratului, mult umit a ecran arii
de electrolitul cu intensitate ionic a ridicat a. Porii sunt umplut i cu electrolit  si cont in
mediatorul redox, acesta trec^ and printr-un proces de oxidare – reducere. Ionul oxidat este
r asp^ andit spre electrodul contor  si reciclat ^ n starea init ial a de c atre un electron prins
de electrod. Fototensiunea se datoreaz a energiei fotonilor absorbit i de sensibilizatorul
cu colorant. Pierderea de fototensiune se datoreaz a regener arii colorantului de media-
torul redox  si inject iei de electroni de la starea excitat a colorantului TiO 2^ n banda sa
de conduct ie. Dac a se recombin a fotoelectronii cu colorant ii fotooxidat i  si ionii de elec-
trolit oxidat i, atunci fotocurentul scade. Aceast a recombinare este redus a prin folosirea
heterojonct iunii de ret ea interfacial a, iar ^ n acest fel fotoelectronii sunt separat i spat ial
de acceptorii de electroni oxidat i pentru o heterojonct iune intern a.
Datorit a coecientului de absorbt ie mic, randamentul de conversie al unei celule solare
cu colorant organic a fost redus, colorant ii organici ind adsorbit i pe o suprafat  a relativ
plan a a electrodului. Absorbt ia luminii de monostratul de colorant era redus a, iar acest
dezavantaj a fost rezolvat de O'Regan  si Gr atzel prin folosirea unui electrod de TiO 2
nanoporos. Celulele solare realizate cu ajutorul colorantului nanoporos de TiO 2^  si pot
cre ste absorbt ia, deoarece electrodul are o arie supercial a mare. Celulele de acest tip ab-
sorb o parte important a din spectrul vizibil datorit a grosimii electrodului  si a sensibiliz arii
colorant ilor, av^ and un randament de conversie de peste 11%.
Acei electroni excitat i ce rezult a sunt injectat i ^ n TiO 2. Electronii se r asp^ andesc ^ n
structura poroas a de TiO 2 si apoi sunt colectat i la nivelul electrodului de sticl a acoperit
31

Radu – Ionut  Voicu
cu TCO. Dup a ce electronii au trecut prin sarcina extern a, mediatorul redox este redus,
iar acesta compenseaz a sarcina pozitiv a rezultat a pe colorant. Mediatorul redox trece
printr-un proces ciclic continuu de oxidare  si reducere, atunci c^ and este ^ n electrolit.
Cu urm atoarea relat ie putem calcula ecient a cuantic a extern a a unei celule solare cu
colorant i organici:
ECE =()injc; (8)
undecreprezint a ecient a de colectare a curentului, () este absorbant a cuantic a  si
injreprezint a ecient a de inject ie. Dac a cunoa stem rata de inject ie kinjcu valori ^ ntre
10101012s1 si durata de viat  a a st arii excitate, av^ and valori ^ ntre 50-100 ns, atunci se
poate determina ecient a de inject ie dat a de relat ia :
inj=kinj
(kinj+1)(9)
32

Radu – Ionut  Voicu
5 MODELAREA S I SIMULAREA NUMERIC A A
CELULELOR
SOLARE CU COLORANT I ORGANICI
^In acest capitol am m asurat o celul a cu siliciu monocristalin, utilizat a ^ n domeniul in-
dustrial. De si cunosc tehnologia de fabricare a celulelor cu colorant i organici sensibilizat i,
din cauza timpului de viat  a scurt nu am putut s a iau m asur atori pentru celulele realizate
de mine. Am construit mai multe celule cu colorant i organici, dar nu am reu sit s a realizez
o celul a stabil a  si din cauza acestei probleme am ales s a fac m asur atorile pe o celul a cu
siliciu monocristalin din comert .
Celulele cu siliciu se folosesc deoarece siliciul este un material folosit ^ n domeniul
industrial, iar costul lor de si este ^ n tendint  a de sc adere, este ^ nc a ridicat.
Celulele cu colorant i organici, de si au un avantaj mare datorit a costului sc azut al
materialelor ce o compun, ele prezint a dou a dezavantaje importante. Unul dintre ele ^ l
prezint a randamentul, care nu este ^ nc a unul foarte bun (cel mai bun randament ind
11%), iar cel de-al doilea dezavantaj ^ l prezint a stabilitatea ^ n timp.
Pentru celulele cu siliciu am realizat patru m asur atori ai curent ilor  si tenisunilor la ilu-
min ari diferite ale unui bec cu halogen. La o iluminare de 2.24 klx am obt inut urm atoarele
valori:
I1=790 778 688 610 549 498 457 424 393 366 347 325 305 292
263 251 242 331 222 213 206 199 28 14 9 7 5 0
U1=00.11 0.13 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.19 0.20 0.20 0.21 0.21 0.21
0.22 0.22 0.23 0.23 0.23 0.23 0.23 0.23 0.28 0.28 0.29 0.29 0.29 0.3
Caracteristica I-U pentru aceste valori este urm atoarea:
Figura 17: Caracteristica I-U la iluminarea de 2.24 klx
33

Radu – Ionut  Voicu
Pentru gracul din gura 15 am m asurat curentul de scurtcircuit (I sc)  si tensiunea ^ n
circuitul deschis (U cd).
Isc1= 790106A
Ucd1= 0:3V
Am calculat puterea de ie sire maxim a
Pmax 1=Imax 1Umax 1;
unde
Imax1= 778106A
Umax1= 0:29V
Rezult aPmax 1= 225:62106W
Am vericat calitatea celulei calcul^ and facoturl de form a (FF).
FF1=Umax 1Imax 1
Isc1Ucd1= 0:95
I2=450 430 377 347 312 290 266 252 232 219 206 196
184 176 168 161 153 148 141 137 130 127 122 119
U2=0 0.06 0.075 0.08 0.083 0.093 0.099 0.106 0.110 0.116 0.118 0.120
0.125 0.129 0.131 0.133 0.135 0.137 0.139 0.141 0.142 0.144 0.144 0.146
Figura 18: Caracteristica I-U la iluminarea de 1.072 klx
Pentru gracul din gura 15 am m asurat curentul de scurtcircuit (I sc)  si tensiunea ^ n
circuitul deschis (U cd).
34

Radu – Ionut  Voicu
Isc2= 450106A
Ucd2= 0:14V
Am calculat puterea de ie sire maxim a
Pmax 2=Imax 2Umax 2;
unde
Imax2= 430106A
Umax2= 0:14V
Rezult aPmax 2= 60:2106W
Am vericat calitatea celulei calcul^ and facoturl de form a (FF).
FF2=Umax 2Imax 2
Isc2Ucd2= 0:95
I3=140 121 111 101 9489827773696562595751
50 48 46 44 43414039 6321110
U3=0.018 0.022 0.025 0.028 0.031 0.033 0.035 0.036
0.038 0.039 0.040 0.041 0.043 0.043 0.044 0.045
0.046 0.046 0.046 0.047 0.048 0.048 0.049 0.062
0.062 0.062 0.063 0.064 0.064 0.065
Figura 19: Caracteristica I-U la iluminarea de 0.284 klx
Pentru gracul din gura 15 am m asurat curentul de scurtcircuit (I sc)  si tensiunea ^ n
circuitul deschis (U cd).
35

Radu – Ionut  Voicu
Isc3= 140106A
Ucd3= 0:065V
Am calculat puterea de ie sire maxim a
Pmax 3=Imax 3Umax 3;
unde
Imax3= 121106A
Umax3= 0:064V
Rezult aPmax 3= 7:74:4106W
Am vericat calitatea celulei calcul^ and facoturl de form a (FF).
FF3=Umax 3Imax 3
Isc3Ucd3= 0:78
I4=151211109887 7 7 6 6 6 5 5
555444440.65 0.33 0.24 0.19 0.15 0.13 0
U4=0.0018 0.0022 0.0026 0.0029 0.0031 0.0033 0.0035 0.0037
0.0039 0.0040 0.0042 0.0043 0.0044 0.0045 0.0046 0.0047
0.0048 0.0048 0.0049 0.0050 0.0050 0.0051 0.0059 0.0064
0.0066 0.0067 0.0068 0.0068 0.0069 0.0069
Figura 20: Caracteristica I-U la iluminarea de 20.2 lx
Pentru gracul din gura 15 am m asurat curentul de scurtcircuit (I sc)  si tensiunea ^ n
circuitul deschis (U cd).
Isc4= 15106A
Ucd4= 0:0064V
36

Radu – Ionut  Voicu
Am calculat puterea de ie sire maxim a
Pmax 4=Imax 4Umax 4;
unde
Imax4= 12106A
Umax4= 0:0047V
Rezult aPmax 4= 0:0564106W
Am vericat calitatea celulei calcul^ and facoturl de form a (FF).
FF4=Umax 4Imax 4
Isc4Ucd4= 0:58
^In continuare am realizat caracteristica curent – tensiune a unei celule cu colorant i
organici sensibilizat i cu date din literatur a.
J1= 13.5 13.5 13.5 13.5 13.5 13.5 13.5 13.5 13.5 1312.5 4.8
U1= 00.2 0.3 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8
Figura 21: Caracteristica I-V pentru =50 ms
37

Radu – Ionut  Voicu
J2= 1212121212121211.9 11.8 11.5 10
U2= 00.2 0.3 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.77
Figura 22: Caracteristica I-V pentru =20 ms
J3= 111111111111111110.9 10.5 8
U3= 00.2 0.3 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75
Figura 23: Caracteristica I-V pentru =10 ms
38

Radu – Ionut  Voicu
J4= 99999998.8 82
U4= 00.2 0.3 0.4 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.73
Figura 24: Caracteristica I-V pentru =20 ms
39

Radu – Ionut  Voicu
6 ANALIZA TEHNICO – ECONOMIC A S I DE MEDIU.
APLICAT II ENERGETICE
Impactul de mediu al modulelor DSSC (sticl a – substrat)
Mare parte din impactul asupra mediului^ n ceea ce prive ste celulele DSSC se datoreaz a
sticlei. Product ia de sticl a consum a o mare parte de energie. Aceast a situat ie poate
^ mbun at at it a prin utilizarea de sticl a subt ire sau alte tipuri de substrat, cum ar folia de
polimer.
De asemenea, consumul de energie direct a ^ n procesul de producere al modulelor DSSC
contribuie la impactul asupra mediului.
Impactul asupra mediului provine de la consumul de energie pentru prepararea ma-
terialelor (^ n special substratul de sticl a)  si pentru fabricarea modulelor. Substratul de
sticl a ^ n special, are un efect major asupra necesarului de energie. Aceast a situat ie poate
 ^ mbun at at it a prin utilizarea straturilor subt iri de sticl a sau ^ nlocuirea cu alte tipuri de
substraturi, cum ar  folia de polimer. O ^ mbun at at ire suplimentar a poate  obt inut a
prin adaptarea unor temperaturi joase pentru prepararea modulelor, cum ar  sinterizarea
 si presarea de nanoparticule de TiO 2. De si p^ an a acum celulele cu DSC cu substrat de
sticl a  si procesate la temperatur a mare, dau o performant  a  si o stabilitate mai bun a. ^In
plus, modulele DSC ce folosesc ca substrat metalul sau folia de polimer probabil nu nece-
sit a o ^ ncadrare de aluminiu reduc^ and necesarul de energie chiar  si mai mult. Reciclarea
de sticl a TCO poate reduce nivelul de energie, dar ^ nc a nu s-a efectuat nicio experient  a
practic a ^ n privint a recicl arii componentelor DSC.
Ecient a de conversie fotoelectric a, costul de product ie  si stabilitatea sunt aspecte
critice pentru aplicat iile comerciale a celulelor DSC ind comparate cu alte tipuri de
celule solare, cum ar  cele pe baz a de siliciu, care au un pret uri  si costuri foarte mari,
acestea reprezent^ and un obstacol pentru utilizarea lor. Deoarece celulele cu siliciu prezint a
decient e asupra mediului, celulele DSC au avut un interes ^ n ultimii ani. Celulele DSC
sunt cercetate ^ n mai multe t  ari cum ar  Germania, Australia, Elvet ia, USA, Japonia.
Un nou record pentru ecient a conversiei fotoelectrice a celulelor DSC a ajuns la 11.14%
poate concura cu o celul a bazat a pe siliciu. Celulele DSC se a steapt a s a devin a mai mult
c autate  si populate datorit a costului mic  si ecient ei mari.
G24 Power este recunoscut a ca lider mondial^ n proiectarea  si fabricarea de celule solare
cu colorant i sensibilizatori. Compania a ales acest nume de la conceptul de a  capabili
s a utilizeze orice surs a de lumin a, lumin a natural a sau articial a, convertind-o ^ n energie
electric a. G24 Power ^ nseamn a 24 de ore de energie regenerabil a, iar G reprezint a init iala
profesorului Michael Gr atzel, cel care a inventat celulele solare cu colorant i sensibilizatori.
Celulele brevetate sunt subt iri,
exibile  si u soare, ceea ce ^ nseamn a c a pot  utilizate
pentru a alimenta o mare varietate de dispozitive.
G24 Power au preluat cu^ ncredere ideea profesorului Gr atzel  si au creat prima product ie
^ n mas a pe scar a larg a a celulelor solare cu colorant i sensibilizat i.
G24 Innovations au fabricat celulele solare cu colorant i sensibilizat i ultra subt iri pentru
rme din Hong Kong ^ n vederea utiliz arii acestora ^ n rucsaci  si gent i. Aceste celule au o
grosime de aproximativ 1 mm  si nu cont in siliciu sau cadmiu  si pot funct iona chiar  si ^ n
interior. Acest lucru le face ideale pentru alimentarea telefoanelor mobile, camerelor foto
 si electronicelor portabile.
Pe o scar a mare modulele cu celule solare cu colorant i organici produse de G24i Power
40

Radu – Ionut  Voicu
pot  integrate ^ n display-uri electronice de publicitate, care pot funct iona chiar  si ^ n
interior. Aceste celule pot , de asemenea, straticate pe laptop-uri, telefoane mobile,
dispozitive GPS pentru o putere suplimentar a, extinz^ and semnicativ durata lor de viat  a.
41

Radu – Ionut  Voicu
7 CONCLUZII
^In lucrarea de fat  a am prezentat celulele solare cu colorant i organici. Aceste celule
au un avantaj mare datorit a costului sc azut al materialelor din care este compus a. Ele au
atras un mare interes datorit a costurilor mici,^ n comparat ie cu celulele solare convent ionale
cu Si sau GaAs. ^In vederea m aririi nevoilor energetice ale omenirii, a reducerii
rezervelor de combustibil este necesar s a se g aseasc a surse de energie alternativ a nepolu-
ant a  si ieftin a.
^In primele trei capitole am prezentat pe scurt principiul de funct ionare al unei celule
solare clasice, principiul de funct ionare al unei celule cu colorant i sensibilizatori  si mate-
rialele folosite pentru celulele Gratzel.
Celulele DSC prezint a dou a dezavantaje importante, acestea ind randamentul care
la momentul actual nu este unul foarte bun  si stabilitatea ^ n timp.
^In capitolul patru am prezentat realizarea unei celule fotovoltaice pe baz a de dioxid
de titan  si antocianin a.
^In capitolul cinci am m asurat o celul a cu siliciu monocristalin utilizat a ^ n domeniul
industrial, deoarece celulele cu colorant i realizate de mine s-au degradat din cauza timpu-
lui de viat  a scurt. Din aceast a cauz a (nereu sind s a realizez o celul a stabil a) am m asurat
o celul a cu siliciu monocristalin  si am calculat parametrii principali ai celulei solare.
^In ultimul capitol am prezentat impactul asupra mediului a celulelor DSSC  si c^ ateva
aplicat ii energetice.
42

Radu – Ionut  Voicu
8 BIBLIOGRAFIE
[1] Shogo Mori, Shozo Yanagida, Nanostructured Materials for Solar Energy Conversion ,
Editura Telsuo Soga, 2006.
[2] L. Fara, M. R. Mitroi, V. Iancu, S. Fara, Fizica  si tehnologia celulelor solare  si
sistemelor fotovoltaice , Editura Academiei Oamenilor de S tiint  a din Rom^ ania, Bu-
cure sti, 2009.
[3] L. Fara, M. R. Mitroi, V. Iancu, Modelarea  si simularea numeric a a celulelor solare
nanostructurate , Editura Punct, 2008.
[4] M. R. Mitroi, L. Fara, M. L. Ciurea, Numerical Procedure for Optimizing Dye –
Sensitized Solar Cells , Journal of Nanomaterials, 2014
[5] M. R. Mitroi, L. Fara, Optimization of black dye-sensitized solar cells by numerical
simulation , Journal of Renewable and Sustainable Energy, 2013
[6] Michael Grtzel, Dye-sensitized solar cells, Journal of Photochemistry and Photobi-
ology C: Photochemistry Reviews 4, pg. 145-153, 2003.
[7] P. Oelhafen, A. Schuler, Nanostructured materials for solar energy conversion , Solar
Energy 79, pg. 110121,(2005)
[8] Haiying Wan, Dye Sensitized Solar Cells, 2004
[9] Hoda Hafez, Zhang Lan, Qinghua Li, Jihuai Wu, High eciency dye-sensitized solar
cell based on novel TiO 2nanorod/nanoparticle bilayer electrode , pg 45-51, 2010
[10] K. Nithyanandam, R. Pitchumani, Analysis and design of dye-sensitized solar cell,
Solar Energy 86, pg. 351-368, 2012
[11] M.J. de Wild-Scholten, A.C. Veltkamp, Environmental life cycle analysis of dye sen-
sitized solar devices, ECN Solar Energy
[12] S. Dai, J. Weng, Y. Sui, S. Chen, S. Xiao, Y. Huang, F. Kong, Xu Pan, L. Hu, C.
Zhang, K. Wang, The design and outdoor application of dye-sensitized solar cells,
Division of Solar Energy Materials and Engineering, Institute of Plasma Physics, PR
China.
[13] K. T. Dembele, R. Nechache, L. Nikolova, Eect of multi-walled carbon nanotubes
on the stability of dye sensitized solar cells , Journal of Power Sources, Vol. 233, pg.
93-97, 2013
[14] Y. Xiao, J-Y Lin, J. Wu, Dye-sensitized solar cells with high-performance
polyaniline/multi-wall carbon nanotube counter electrodes electropolymerized by a
pulse potentiostatic technique , Journal of Power Sources, pg. 320-325, 2013
43

Radu – Ionut  Voicu
[15] L. Andrade, J. Sousa, H. Aguilar Riberio, Phenomenological modeling of dye-
sensitized solar cells under transient conditions , Solar Energy, vol. 85, pp. 781-793,
2011
[16] D. Gentilini, A. Gagliardi, Dye solar cells eciency maps: a parametric study , Op-
tical and Quantum Electronics, vol. 44, pp. 155-160, 2012
[17] K. Nithyanandan and R. Pitchumani, Analysis and design of dye-sensitized solar cell ,
Solar Energy, vol. 86, pp. 351-368, 2012
[18] M. Gratzel, Photoelectrochemical cells , Nature, vol. 414, pp. 338-334, 2001
[19] X. Yang, M. Yanagida, L. Y. Han, Reliable evoluation of dye-sensitized solar cells ,
Energy and Environmental Science, vol. 6, 2013
[20] M. Gratzel, Dye-sensitized solar cells , Journal of Photochemistry and Photobiology,
vol. 4, 2003
[21] T. Dittrich, A. Or, In
uence of the porosity on diusion and lifetime in porous TiO 2
layers , Applied Physics Letters, vol. 88, 2006
44

Radu – Ionut  Voicu
9 Anex a
clear all;
clc;
I1=[790 778 688 610 549 498 457 424 393 366 347 325 305 292 277 263 251 242 231 222
213 206 199 28 14 9 7 5 0];
U1=[0 0.11 0.13 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.19 0.20 0.20 0.21 0.21 0.21 0.22 0.22 0.22 0.23
0.23 0.23 0.23 0.23 0.23 0.28 0.28 0.29 0.29 0.29 0.3];
I2=[450 430 377 347 312 290 266 252 232 219 206 196 184 176 168 161 153 148 141 137
130 127 122 119 0];
U2=[0 0.06 0.075 0.080 0.083 0.093 0.099 0.106 0.110 0.116 0.118 0.120 0.125 0.129 0.131
0.133 0.135 0.137 0.139 0.141 0.142 0.144 0.144 0.146 0.147];
i2 =I2:10:(6);
i1 =I1:10:(6);
I3=[140 121 111 101 94 89 82 77 73 69 65 62 59 57 51 50 48 46 44 43 41 40 39 6 3 2 1 1 1
0];
U3=[0.018 0.022 0.025 0.028 0.031 0.033 0.035 0.036 0.038 0.039 0.040 0.041 0.043 0.043
0.044 0.045 0.046 0.046 0.046 0.047 0.048 0.048 0.049 0.062 0.062 0.062 0.063 0.064 0.064
0.065];
i3 =I3:10:(6);
I4=[15 12 11 10 9 8 8 7 7 7 6 6 6 5 5 5 5 5 4 4 4 4 4 0.65 0.33 0.24 0.19 0.15 0.13 0];
U4=[0.0018 0.0022 0.0026 0.0029 0.0031 0.0033 0.0035 0.0037 0.0039 0.0040 0.0042 0.0043
0.0044 0.0045 0.0046 0.0047 0.0048 0.0048 0.0049 0.0050 0.0050 0.0051 0.0059 0.0064
0.0066 0.0067 0.0068 0.0068 0.0069 0.0069];
i4 =I4:10:(6);
Isc1 = 790:10:(6);
Isc2 = 450:10:(6);
Isc3 = 140:10:(6);
Isc4 = 15:10:(6);
Ucd1=0.3;
Ucd2=0.147;
Ucd3=0.065;
Ucd4=0.0069;
Imax 1 = 778:10:(6);
Umax1=0.29;
Pmax 1 =Imax 1:Umax 1;
Imax 2 = 430:10:(6);
Umax 2 = 0:146;
Pmax 2 =Imax 2:Umax 2;
Imax 3 = 121:10:(6);
Umax 3 = 0:064;
Pmax 3 =Imax 3:Umax 3;
Imax 4 = 12:10:(6);
Umax 4 = 0:069;
Pmax 4 =Imax 4:Umax 4;
FF1 =Umax 1:Imax 1:=Isc 1:Ucd1;
45

Radu – Ionut  Voicu
FF2 =Umax 2:Imax 2:=Isc 2:Ucd2;
FF3 =Umax 3:Imax 3:=Isc 3:Ucd3;
FF4 =Umax 4Imax 4:=Isc 4:Ucd4;
plot(U1;i1)
plot(U2;i2)
plot(U3;i3)
plot(U4;i4)
clearall ;
clc;
t1 = 50:10:(3);
t2 = 20:10:(2);
t3 = 10:10:(3);
t4 = 2:10:(2);
D1 = 5:10:(5):10:(4):t1;
D2 = 5:10:(5):10:(4):t2;
D3 = 5:10:(5):10:(4):t3;
D4 = 5:10:(5):10:(4):t4;
J1 = [13:513:513:513:513:513:513:513:513:51312:54:8];
U1 = [00:20:30:40:450:50:550:60:650:70:750:8];
J2 = [1212121212121211 :911:811:510];
U2 = [00:20:30:40:450:50:550:60:650:70:77];
I1 =J1:D1;
i1 =I1:10:(3);
I2 =J2:D2;
i2 =I2:10:(3);
J3 = [111111111111111110 :910:58];
U3 = [00:20:30:40:450:50:550:60:650:70:75];
I3 =J3:D3;
i3 =I3:10:(3);
J4 = [99999998 :882];
U4 = [00:20:30:40:50:550:60:650:70:73];
I4 =J4:D4;
i4 =I4:10:(3);
plot(U1;i1)
plot(U2;i2)
plot(U3;i3)
plot(U4;i4)
46