A fényérzékeny pigment napelemek, amelyeket néha Grätzel celláknak hívnak (angolul: Dye-sensitized solar cell vagy DSC) a növények fotoszintézisének ihlette fotoelektrokémiai rendszer, amely fény ( foton ) hatására áramot termel. Gyakran a nevéből eredő betűszóval jelöljük angolul: festékérzékeny napelem , DSC , DSSc vagy akár DYSC ). A Grätzel-cellákat tervezőjük, Michael Grätzel , a svájci Lausanne-i Szövetségi Technológiai Intézet hivatkozásával nevezték el . A szerves pigmenteket "kromoforoknak" is nevezik .
A fényérzékeny pigmentsejtek jelenleg nem a legjobban teljesítenek a piacon, de anyagukból alacsony költséggel előállíthatók, és hasznot húzhatnak a műszaki és tervezési fejlesztésekből. Előnyük az is, hogy közvetlen napfény nélkül vagy akár rossz megvilágítás mellett is képesek energiát előállítani .
Ha manapság a legtöbb fotovoltaikus elem szilárd fázisban van , akkor a fotovoltaikus hatást eredetileg 1839-ben fedezte fel a francia Edmond Becquerel egy ezüst-halogeniden alapuló folyékony rendszerben . Az ezüsthalogenidek nagyon fontos vegyületek voltak a filmfotózásban, ami sok kutatásra késztetett. Az egyik probléma az ezen a területen volt, hogy ezek a vegyületek gyengén elnyelik a fényt hosszú hullámhosszú (a vörös felé a látható spektrum ), amely annak köszönhető, hogy a tiltott sáv . Ebben az összefüggésben vezették be a fotoszenzibilizáció fogalmát: az ezüst részecskék pigmentjének hozzáadásával, amely abszorbeálja a vörös színt, a részecskék a fény szélesebb tartományára reagálnak. Ezt az elvet nagyon gyorsan kiterjesztették fotoelektrokémiai sejtekre is .
Számos kísérlet ellenére ezeknek a fotovoltaikus celláknak a hatékonysága 1% alatt maradt. Az egyik fő probléma az volt, hogy a kutatók úgy vélték, hogy a félvezetőnek sima felülettel kell rendelkeznie az optimális hatékonyság érdekében. Így a pigmentek csak egyetlen rétegben voltak jelen, és a felszívódás minimális volt. E fényérzékeny pigmentsejtek történelmének legfontosabb eseménye 1991-ben következik be, Michael Grätzel és Brian O'Regan (a lausanne-i Szövetségi Politechnikai Iskola) cikkének megjelenésével , amelyben egy 7–8% -os hatékonyságú sejtet halasztanak el. A hatékonyság ezen megugrásának legfőbb oka egy porózus félvezető ( titán-dioxid ) használata, amely nagyon nagy felületet kínál a pigmenteknek. Ez a cikk egy igazi forradalom a területen, és igazolja a "Grätzel-sejt" elnevezést, amelyet néha ezeknek a sejteknek adnak.
Hatalmas sokfélesége van a különböző komponensű Grätzel-sejteknek, de az általános minta nagyjából ugyanaz marad. A sejt szíve egy mezoporózus félvezető ( porozitás 50 és 60% között), jellemzően nanorészecskékből (10-30 nm átmérőjű) titán-dioxidból (TiO 2) agglomerálva, hogy lehetővé tegye az elektromos vezetőképességet . A félvezető nagy felületén egyrétegű pigmentek rakódnak le . A félvezető általában formájában egy filmet körülbelül 10 um , és maga is felvitt átlátszó elektród , tipikusan ón-dioxid adalékolt a fluoratom . Az ellenelektróda ( katód ) érintkezésben van egy elektrolittal , gyakran a redox párral, a jodid / trijodiddal (I 3 - / I - ), amely az egész rendszert megfürdeti és lehetővé teszi az elektromos ciklus befejezését.
Ha egy pigment fénynek van kitéve, elnyelhet egy fotont, amely izgatja . Ez elegendő energiájú elektront generál ahhoz, hogy befecskendezzék a félvezető vezetősávjába . Ez az elektron az elektródon keresztül csatlakozik az elektromos áramkörhöz, és ez alkotja a cella által termelt elektromos energiát. Az elektronveszteséget okozó pigment az elektrolit révén visszanyeri az elektront, amely maga a katódnál regenerálódik.
Ezt a fotoelektrokémiai rendszert a növények fotoszintézise ihlette.
Ez egy elektrondonor- elektroliton alapul (analóg a fotoszintézisben lévő vízzel ), amelyet egy napsugárzás által gerjesztett pigment (egy fotoszintetikus pigmenthez , például klorofillhoz hasonlóan ) fejt ki . Ennek a rendszernek az elektromotoros ereje abból a sebességből adódik, amellyel az elektrolit kompenzálja az izgatott pigment által elveszített elektront, mielőtt az utóbbi rekombinálódik: a fényérzékeny pigmentet egy félvezető anyaggal impregnálják, amely a napsütésben szemben lévő átlátszó és vezető falhoz van rögzítve. úgy, hogy a pigment által felszabadított elektron a félvezető anyagon keresztül diffundál a vezető falra, hogy felhalmozódjon a cella felső falában, és potenciálkülönbséget generáljon az alsó falhoz képest.
Ezek az eszközök ígéretesek, mivel viszonylag egyszerű technológiákkal megvalósított, olcsó anyagokat tartalmazhatnak.
Ezek a sejtek a laboratóriumban 15% -os hozamot értek el. A sejteket kereskedelemben 10% körüli hatékonysággal állítják elő, körülbelül 2400 euró / kWp költséggel . A hozamok, miután stabilizálódtak és nagy méreteknél, jóval alacsonyabbak maradnak (~ 4%).
Ezeket a sejteket plazmonikus technológiákkal lehetne javítani .
A CEA új szerves színezékeket szintetizált, amelyek helyettesíthetik a leghatékonyabb Grätzel-sejtekben manapság használt fémorganikus anyagokat (ritka és / vagy mérgező fémekből álló (organikus fémvegyületek) (ruténium), vagy nehezen szintetizálhatók (cink-porfirinek származékai). A CEA szerint viszonylag egyszerű felépítésű, változatos színű és intenzitású molekulák 10% vagy annál nagyobb hatékonyságot tesznek lehetővé Az első vizsgálatok azt mutatták, hogy a festékek több ezer órán át stabilak voltak.