Изготовление и анализ сенсибилизированных солнечных элементов с использованием пигмента на основе фталоцианина меди

АННОТАЦИЯ

В статье представлена информация о производстве фталоцианина меди, используемого в качестве сенсибилизированных солнечных элементов, который является одним из альтернативных источников энергии. Данные анализа фталоцианиновой меди на спектрофотометре UV-Vis предоставляются. Для определения напряжения (мВ) и тока (мА см^–2) измеряли чувствительность электропроводности источником света при 350 мВт/см в течение 10 дней с помощью цифрового мультиметра ДТ 9205А.

ABSTRACT

In the article information on the production of copper phthalocyanine, used as sensitized solar cells, which is one of the alternative energy sources, is provided. Data analysis of phthalocyanine copper on the UV-Vis spectrophotometer is presented. To determine the voltage (mV) and current (mA cm^-2), the electrical conductivity sensitivity of the light source has been measured at 350 mW/cm for 10 days using a DT 9205A digital multimeter.

Ключевые слова: солнечный элемент, энергия, фталоцианиновый пигмент, кремний.

Keywords: solar cell, energy, phthalocyanine pigment, silicon.

Введение. Солнечные элементы (СЭ) – это один из нескольких способов преобразования солнечной энергии в электрическую. СЭ на основе кремния производятся серийно и используются во многих областях с довольно высокой эффективностью – 20–25 %. Однако у них есть некоторые недостатки, в том числе высокая стоимость и необходимость большой площади для размещения солнечной панели [5].

Именно Гратцель и О’Реган в 1991 году первыми представили привлекательный и недорогой СЭ, а именно сенсибилизированный красителем солнечный элемент (DSSC), основанный на материале TiO₂ [8].

Помимо полупроводникового материала, краситель также играет важную роль в улучшении характеристик DSSC, поскольку он должен улавливать солнечный свет и преобразовывать его в электрическую энергию. На DSSC было проведено множество исследований с использованием различных типов красителей, включая натуральные и синтетические. Основной характеристикой красителя является его способность поглощать спектр видимого света от красного до синего, так что он может сенсибилизировать широкозонный полупроводниковый материал. Поэтому люди заинтересованы в использовании недорогих красителей на основе фталоцианинового пигмента, содержащего синтетический пигмент. Фталоцианиновые пигменты – это синий, красный или фиолетовый пигмент, способный поглощать видимый свет.

Riyaz Ahmed Mohamed Ali and Nafrizal Nayan [9] в своих работах сообщили об использовании натурального красителя, извлеченного из плодов дракона, в качестве красителя для DSSC, что привело к эффективности 0,22 %.

Поэтому в этом исследовании DSSC был собран из TiO₂ анатазной структуры в качестве полупроводникового материала для катода, фталоцианин меди – в качестве красителя и Pd/Au в качестве катализатора по более низкой цене, чем Pt, и с хорошей реакционной способностью в отношении восстановления трийодида, сравнимой с Pt.

Экспериментальная часть. Для приготовления фталоцианинового пигмента меди берут 4 мл (0,025 моль) сульфата меди, 12 г (0,2 моль) мочевины, 14,8 г (0,1 моль) фталангидрида, 1 % от массы смеси. Гептамолибдат аммония добавляли в качестве катализатора и перемешивали до гомогенного состояния (светлый цвет воздуха). Реакционную смесь нагревают до 350 °C в предварительно нагретой печи в течение 3 часов. Затем полученную порошкообразную реакционную смесь охлаждают до 50 °C и растворяют в 85 %-ной серной кислоте. В растопленный продукт добавляют кипяток и перемешивают. В этом случае растворяются первичные продукты и промежуточные продукты, которые не прореагировали. Образовавшийся пигмент фталоцианина меди выпадает в осадок. Выпавший в осадок фталоцианиновый пигмент фильтровали на воронке Бюхнера и несколько раз промывали дистиллированной водой. Промытый продукт сушили в сушильном шкафу при 50 °C. Полученный пигмент фталоцианина меди растворяли в диметилформамиде и готовили 10 %-ный раствор. Его очищали с использованием фильтровальной бумаги и погружали в него на 2 часа для сенсибилизации полупроводниковый материал на проводящей стеклянной пластине, покрытой диоксидом титана. В результате раствор красителя абсорбируется к активным центрам диоксида титана (TiO₂).

Медью покрыта лицевая сторона стеклянной пластины, сенсибилизированной фталоцианиновым пигментом. Два куска прозрачного стекла зажимаются с противоположных сторон. Раствор электролита попадает в пространство между двумя прозрачными стеклами. Чувствительность красителя к солнечной батарее измеряли под источником света при 350 мW/см^–2 в течение 10 дней с помощью цифрового мультиметра ДТ 9205А для определения характеристик напряжения (мВ) и тока (мА см^–2).

Результаты и их обсуждение. На рис. 1 показаны результаты измерения поглощения света на спектрофотометре UV-Vis красителей фталоцианина меди в спектре видимого света 320–1000 нм. Диапазон длин волн спектра лежит между 320 нм и 1000 нм. Было обнаружено, что фталоцианин меди имеет пиковое поглощение при 600 нм. Фталоцианин меди показывает хороший уровень поглощения от 400 до 600 нм. В результате понятно, что фталоцианин меди будет поглощать свет в диапазоне длин волн от 400 до 600 нм. Оставшийся спектр будет отражать смесь красного и синего цветов. Цвет похож на фиолетовый с белым. В основном это поглощение связано с сопряженными связами, содержащимися во фталоцианине меди. Поскольку фталоцианиновые пигменты обладает наибольшей способностью поглощать фотоны от света, в этом исследовании для DSSC был выбран пигмент фталоцианина меди для использования в качестве красителя.

Рисунок 1. Спектры поглощения в зависимости от поглощения длины волны красителя на основе фталоцианина меди

На рис. 2 и 3 показаны напряжения и токи, собранные шестью узлами DSSC через 10 дней, а на рис. 4 показана мощность, подаваемая шестью узлами DSSC. Результаты электрического тренда были взяты в качестве образца, показывающего самые высокие электрические характеристики при 450 °C в течение 1 часа и самые низкие при 2 часах и 550 °C.

Когда солнечный свет проникает через проводящее стекло, краситель (фотосенсибилизатор), чувствительный к солнечному (видимому) свету, поглощает фотон. Электрон красителя будет возбужден и инжектирован в зону проводимости TiO₂ и течет через внешний провод к нагрузке (например лампе). Потеря электрона из красителя будет компенсирована электроном из электролита в результате окислительно-восстановительной реакции йодида (I^–), окисленного до трииодида (I₃^–), и высвобождения электрона. Электрон от нагрузки будет течь обратно в DSSC через противоэлектрод (покрытый Pd/Au), который каталитически способствует реакции восстановления трииодида электролита (I₃^–) в иодид (I^–) и повторно используется в процессе преобразования.

Рисунок 2. Зависимость напряжение, собираемого DSSC, от времени (дня)

Рисунок 3. Соотношение времени (дня) и плотности тока, полученного DSSC

Рисунок 4. Отношение времени (дня) к плотности мощности, собранной DSSC

Таблица 1.

V_OC и I_SC максимальной выходной плотности мощности и эффективности DSSC

В таблице 1 перечислены V_ОС и I_SC максимальной выходной плотности мощности и эффективности 6 образцов DSSC. Было обнаружено, что DSSC из ITO с покрытием из TiO₂, прокаленного при 450 °C в течение 1 часа, имеет наивысшую эффективность 0,055 %.

Вывод. DSSC были успешно получены из наноматериала TiO₂ со структурой анатаза и пигментом фталоцианина меди в качестве красителя с наивысшей эффективностью 0,055 % (V_OC = 542,4 мВ и I_SC = 0,356 мА см^–2) в результате прокаливания ITO, покрытого TiO₂, при 450 °C в течение 1 часа из-за самой высокой активной поверхности. Несмотря на низкую эффективность, эта работа показала продуктивность пигмента фталоцианина меди в качестве полупроводника для применения DSSC.

Список литературы:

1. Азот ва фосфор сақловчи мис фталоцианин синтези ва тадқиқоти// Нефт-газ саноатида иннавациялар, энергетика ва унинг муаммолари Халқаро илмий-амалий анжуман материаллари (Тошкент, 26 май 2020 йил) / М.О. Юсупов, Х.С. Бекназаров, А.Т. Джалилов, Д.Х. Шукуров [и др.]. – C. 353–354.
2. Бўёқларга сезгир қуёш батареяларининг тузилиши ва таркибий қисмлари (DSSC) / Д.Х. Шукуров, Х.Х. Тураев, А.Т. Джалилoв, М.У. Каримов // А.Ғ Ғаниевнинг 90 йиллигига бағишланган «Аналитик кимё фанининг долзарб муаммолари» VI Республика илмий-амалий конференцияси материаллари (Термиз, 2020 йил). – С. 112–113.
3. Шукуров Д.Х., Тураев Х.Х. Бўёқ сезгир қуёш батареяларида (DSSCs) ишлатиладиган титан диоксиди (TiO₂) суспензиясининг хусусиятлари // Материалы республиканской 17-й междисциплинарной дистанционной онлайн-конференции на тему «Научно-практические исследования в Узбекистане». Ч. 21. – Тошкент, 2020. – C. 80–81.
4. Bo’yoq sezgir quyosh batareyalari uchun elektrolit eritmalarning fizik-kimyoviy xususiyatlari / Д.Х. Шукуров, Х.Х. Тураев, А.Т. Джалилoв, М.У. Каримов // Инновации в науке и образовании: материалы докладов II Республиканской научно-практической интернет-конференции с международным участием. – Андижан, 2020. – С. 37–38.
5. Dresselhaus M.S., Thomas I.L. Alternative energy technologies // Nature. – 2001. – P. 332–337.
6. Dye-sensitized solar cell using natural dyes extracted from spinach and ipomoea / H. Chang, H.M. Wu, T.L. Chen, K.D. Huang [et al.] // J. Alloys Comp. – 2010. – № 495. – P. 606–10.
7. Gratzel M.. Dye-sensitized solar cell // Journal of Photochemistry & Photobiology C4. – 2003. – P. 145.
8. Kay A., Grдtzel M. Low cost photovoltaic modules based on dye sensitized nanocrystalline titanium dioxide and carbon powder // Sol. Energy Mater. Solor Cells. – 1996.
9. Riyaz Ahmad Mohamed Ali and Nafarizal Nayan. Fabrication and analysis of dye-sensitized solar cell using natural dye extracted from dragon fruit // International Journal of Integrated Engineering Issue on Electrical and Electronic Engineering. – 2005. – P. 61.
10. Synthesis Zn-doped TiO2 microspheres with enhanced photovoltaic performance and application for dye – sensitized solar cell / Y. Zhang, L. Wang, B. Liu, J. Zhai [et al.] // Electrochim. Acta. – 2011. – № 56. – P. 6517–23.