Barvivem sensibilizované a perovskitové solární články

Projekt programu Účinná přeměna a skladování energie Strategie AV21 pro rok 2018
Odpovědný řešitel: Prof. RNDr. Ladislav Kavan, DSc., Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského, AV ČR, v. v. i. (ÚFCH JH)
Spolupracující pracoviště: EPF-Lausanne, Švýcarsko, VŠCHT Praha

Aktivita 2a: Barvivem sensibilizované solární články

V souladu s plánem aktivity 2a byl v roce 2018 řešen problém barvivem sensibilizovaných solárních článků s redox mediátorem ve formě hexakoordinaovaných komplexů Co(III/II) a tetrakoordinaovaných komplexů Cu(II/I). Řešení probíhalo dle plánu ve spolupráci se zahraničním partnerem, EPF-Lausanne, Švýcarsko. Výsledkem je teoretický design a experimentální potvrzení nového čistě organického barviva pro sensibilizaci nano-TiO₂ barvivem typu D-A-π-A s trifenylaminem jako donorem [1]. Následný výzkum vedl k návrhu alternativních typů organických bází pro zvýšení napětí článku, jako náhrady 4-tetr-butylpyridinu, který se pro systémy Cu(II/I) nehodí. Hlavním výsledkem je nejen nalezení optimální náhrady, tj. 4-(5-nonyl)pyridinu, ale i objasnění mechanismu nežádoucích interakcí těchto bází s příslušnými Cu-komplexy [2]. Kromě kapalných elektrolytů na bázi Cu(II/I)-komplexů, byl též úspěšně vyvinut zcela nový systém s pevným elektrolytem, který dosáhl zatím největší účinnosti, jaký kdy byl pro tento typ solárního článku publikován, tj. 11.7 % [3].

Ve všech výše zmíněných pracích [1-3] byl jako materiál katody použit vodivý polymer, PEDOT na F-dopovaném SnO₂. To je nejen přesně v souladu s plánem aktivity 2a, ale hlavně to potvrzuje předpoklad, že nalezení alternativního katodového materiálu jakožto náhrady platiny je nejen prakticky možné, ale lze dosáhnout i lepší životnosti katalyzátoru a větší rychlosti přenosu náboje na katodě. V několika případech, jak u kapalného [1] tak i pevného elektrolytu [3], se podařilo dosáhnout napětí většího než 1 V; rekordní hodnota je 1,10 V při ozáření 1.5 AM sluncem. Kromě tradiční architektury barvivem sensibilizovaného solárního článku využívajícího TiO₂ fotoanody byl rovněž rozvíjen nový systém založený na sensibilizaci p-polovodičové fotokatody. Jako materiál fotoanody byl použit borem dopovaný nanodiamant a sensbilizátorem byl organický chromofor (P1), který se již dříve osvědčil pro sensibilizaci p-NiO. Výsledkem spolupráce čtyř tuzemských týmů (PřFUK, ÚOCHB a FZÚ plus pracoviště koordinátora) je dosažení trojnásobně vyššího fotoproudu díky optimalizaci elektronických vlastností polovodiče a vazby barviva na povrch; jedná se o zatím vůbec největší fotoproud, jaký byl při solární excitaci nanodiamantu pozorován [4].

Publikace:

1. P. Ferdowsi, Y. Saygili, W. Zhang, T. Edvinson, L. Kavan, J. Mokhtari, S. M. Zakeeruddin, M. Grätzel, A. Hagfeldt, ChemSusChem, 11 (2018) 494.
2. P. Ferdowsi, Y. Saygili, S. M. Zakeeruddin, J. Mokhtari, M. Grätzel, A. Hagfeldt, L. Kavan, Electrochim. Acta, 265 (2018) 194.
3. W. Zhang, Y. Wu, H. W. Bahng, Y. Cao, Y. Chenyi, Y. Saygili, J. Luo, Y. Liu, L. Kavan, J. E. Moser, A. Hagfeldt, H. Tian, S. M. Zakeeruddin, W. H. Zhu, M. Grätzel, Energy Environ. Sci., 11 (2018) 1179.
4. J. Barton, H. Krysova, P. Janda, H. Tarabkova, P. Ashcheulov, V. Mortet, A. Taylor, J. Vavra, P. Cigler, L. Kavan, Appl. Mat. Today, 12 (2018) 153.

Přednášky na konferencích

• Kavan, Electrochemical Characterization of Reducible Oxide Surfaces, DPG Spring Meeting, Berlin, Germany, 11.3-16.3.2018
• Kavan, Conduction band engineering in TiO₂ and SnO₂: photocatalysis, solar fuel and solar cells, 8^th Forum on New Material, CIMTEC, Perugia, Italy, 10-14.6. 2018.

Organizace symposia

• „Advanced Photocatalytic Materials for Energy Transition, Solar-driven Chemistry and Environmental Applications“, 8^th Forum on New Material, CIMTEC, Perugia, Italy, 10-14.6. 2018 (L. Kavan, spoluorganizátor symposia) „Semiconductor Photocatalysis and Solar Energy Conversion (23rd SPASEC)“, Nov. 5-8, 2018, Shanghai, China (L. Kavan, spoluorganizátor konference)

Aktivita 2b: Perovskitové solární články

V souladu s plánem aktivity 2b byl v roce 2018 řešen problém přípravy elektronově-selektivního mezifází pro negativní elektrodu perovskitového solárního článku. Ve spolupráci s VŠCHT Praha byl vyvinut poloautomatický systém pro depozici těchto filmů technikou spray-pyrolysis [1]. Získané vrstvy z kompaktního TiO₂ jsou vhodné nejen pro perovskitový solární článek, ale najdou uplatnění i v barvivem sensibilizovaných článcích. Důležitou vlastností nově vyvinutých vrstev je jejich tepelná stabilita, tj. nedochází k narušení bariérové funkce ani při kalcinaci na 450^oC, což je obvykle nutné pro přípravu opticky transparentní elektronově-selektivní elektrody perovskitového solárního článku.

Z dalších aktivit byl realizován plánovaný výzkum modelových monokrystalů TiO₂ (anatas, rutil a brookit v několika krystalografických orientacích) a to jak elektrochemickými metodami včetně elektrochemické impedanční spektroskopie, tak i pokročilými metodami elektronové spektroskopie, zejm. NAP-XPS. Výzkum probíhal dle plánu ve spolupráci s MFF UK, která byla podpořena společným CERIC projektem. Hlavním výsledkem je relativně nečekané zjištění, že v případě brookitu a anatasu se poloha vodivostního pásu posouvá vlivem působení vody do pozitivních hodnot energií, zatímco u rutilu se prakticky nemění. Práce se v současné době připravuje k publikaci. Studium nového nadějného vodiče děr (CuSCN), které bylo zahájeno podle plánu aktivity 2b ve spolupráci s EPFL. Šlo zejména o systematický elektrochemický výzkum na třech různých substrátech, FTO, zlatě a skelném uhlíku. Hlavním, zatím nepublikovaným výsledkem je zřetelný posun potenciálu rovných pásů do negativních hodnot u skelného uhlíku, což je v souladu s faktem, že příslušný perovkitový solární článek má výrazně lepší účinnost i stabilitu, pokud se místo mezifází perovskit/CuSCN/Au použije mezifází perovskit/CuSCN/redukovaný grafen oxid/Au.

Publikace

1. H. Krysova, J. Krysa, L. Kavan, Beilstein J. Nanotechnol., 9 (2018) 1135.

Přednášky na konferencích

1. Kavan, Conduction band engineering in semiconducting oxides: Applications in perovskite photovoltaics and beyond, 10th European Meeting on Solar Chemistry and Photocatalysis Environmnetal Applicaitons, Almeria, Spain, 4-88.6.2018.
2. Kavan, Electrochemical Characterization of Semiconducting Oxide Thin Films for Energy Applications: Solar Cells, Fuels, Batteries and Beyond, 22nd Topical Meeting of ISE, Tokyo, Japan, 15-18.4.2016
3. Je plánováno uspořádání workshopu (v listopadu 2018), na který budou pozvání rovněž spolupracující kolegové z Jižní Koreje, Slovenska, Maďarska, Polska a Švýcarska.