Projekti / Programi
Raziskave kratkoročnih in dolgoročnih notranjih procesov pri delovanju elektrokemijskih sončnih celic
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.03.03 |
Tehnika |
Energetika |
Obnovljivi viri in tehnologije |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T150 |
Tehnološke vede |
Tehnologija materialov |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.02 |
Tehniške in tehnološke vede |
Elektrotehnika, elektronika in informacijski inženiring |
-elektrokemijska sončna celica -elektrokemijski sončni modul -procesi -začetna stabilizacija -pospešeno staranje -dolgoročna stabilnost -degradacija
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
25420 |
dr. Marko Berginc |
Meroslovje |
Vodja |
2011 - 2013 |
83 |
Organizacije (1)
Povzetek
V predlaganem projektu bom preučeval elektrokemijske sončne celice (EKSC), ki so bile prvič predstavljene leta 1991 in spadajo v tretjo generacijo sončnih celic. Čeprav imajo današnje EKSC dokaj visoke učinkovitosti pretvorbe (11%), do sedaj še niso doživele vidnega prodora na trg, saj potrebujejo do sedaj premalo poznano stabilizacijo takoj po izdelavi in izkazujejo relativno kratko življenjsko dobo. Oba problema sta bila do danes premalo raziskana, zato bosta predstavljala jedro predlaganega raziskovalnega projekta. Vse raziskave bodo osnovane na trenutno najučinkovitejši in najstabilnejši EKSC, ki vključuje barvilo K77 (Ru(2,2’-bipiridin-4,4’-dikarboksilična kislina)(4,4’-bis(2-(4-tert-butiloksi -fenil)etenil) 2,2’-bipiridin)(NCS)2) in elektrolit na osnovi ionskih tekočin (mešanica 1-propil-3-metil-imidazolijev jodid in 1-ethil-3-methil-imidazolijev tetracianoborat). Celica ima visoko učinkovitost pretvorbe (7,6%) in je že uspešno prestala temperaturni test pri 80 °C v temi in test pri polni osvetlitvi pri temperature 60 °C. Vendar do sedaj celica še ni prestala testa pri polni osvetlitvi pri temperaturi nad 80 °C, zato nestabilnost EKSC še vedno ostaja izziv za številne raziskovalce.
Tehnologija izdelave in izbira materialov bo v sklopu predlaganega projekta dodatno optimizirana. Testirani bodo številni materiali in tehnike za primarno in sekundarno zatesnitev EKSC. Ovrednoten bo vpliv deleža vode v celici na njeno dolgoročno stabilnost. Obe raziskavi bosta podali najustreznejše materiale za zatesnitev in postopke izdelave EKSC, ki bodo uporabljeni v nadaljevanju. Raziskoval bom tudi kratkoročne prehodne pojave EKSC, ki nastopajo takoj po izdelavi. Osvetljene celice bodo stabilizirane pod različnimi obremenitvami, za opazovanje notranjih procesov in določevanje zmogljivosti EKSC pa bom uporabil impedančno spektroskopijo in tokovno-napetostne karakteristike. Sistematična analiza bo razkrila vse procese, ki so vključeni v začetnih prehodnih pojavih zmogljivosti EKSC. Podan bo tudi ustrezen protokol za hitro in učinkovito stabilizacijo zmogljivosti EKSC, ki je nujen za certificiranje EKSC v akreditiranih laboratorijih po svetu. Postopek stabilizacije bo uporabljen tudi pred raziskovanjem pospešenega staranja EKSC v nadaljevanju projekta. Stabilnost EKSC bom sistematično raziskoval pod različnimi pogoji delovanja (različne obremenitve, temperature celice in vrste osvetlitve) z uporabo različnih geometrij celice (EKSC, razčlenjena celica, simetrična celica, …), standardnega merilnega protokola (temna in osvetljena tokovno-napetostna karakteristika, impedančna spektroskopija, kvantni izkoristek, lokalna občutljivost EKSC) in dodatnih tehnik karakterizacije (optične meritve, impedančna spektroskopija in ciklična voltametrija simetrične celice, metoda upada napetosti odprtih sponk, …). Za vsako kombinacijo temperature celice in vrste osvetlitve bom določil (i) spremembo parametrov zmogljivosti EKSC (JSC, UOC, FF, ?) ter (ii) kateri procesi in (iii) materiali v celico vnašajo dolgoročno nestabilno delovanje. Nestabilni materiali bodo postopoma zamenjani, kar bo izboljšalo stabilnost EKSC in omogočilo posplošitev spoznanj glede stabilnosti EKSC izdelanih iz različnih materialov. Namen sončnih celic je proizvodnja električne energije, zato bodo v sklopu predlaganega projekta izdelani tudi elektrokemijski sončni moduli z uporabo najstabilnejših materialov. Opazovana bo njihova zmogljivost, kot tudi procesi pri pospešenem staranju. Vsa odkritja in spoznanja bodo pospešila prodor EKSC na tržišče.
Pomen za razvoj znanosti
Rezultati pridobljeni v podoktorskem projektu so pokazali, da se v elektrokemijske sončne celice (EKSC) med izdelavo pogosto skupaj z elektrolitom nenamerno vnašajo majhni kristali na osnovi joda. Segrevanje celic na 80 °C za 1 h raztopi kristale, kar poveča učinkovitost pretvorbe in prepreči nadaljnjo rast kristalov. To stabilizira delovanje EKSC, zato je segrevanje celic po izdelavi vselej priporočljivo. Rezultati so tudi pokazali, da celice v veliki meri degradirajo, če so starane v kratkem stiku, medtem ko izkazujejo presenetljivo dobro stabilnost v odprtih sponkah in še zlasti v točki maksimalne moči, kjer sončne celice tudi običajno delujejo. Izkazalo se je tudi, da se zaradi rasti ali raztapljanja kristalov zmogljivost EKSC lahko reverzibilno spreminja, zato je oznaka nestabilnosti pri EKSC lahko včasih tudi neupravičena; v temi in na hladnem kristali postopoma rastejo in znižujejo učinkovitost EKSC, rast je pospešena pri priključeni prevodni napetosti, medtem ko se kristali topijo pri povišani temperaturi (T ) 60 °C), kar pomeni, da imajo EKSC sposobnost samoobnove med delovanju na prostem. Zaključki projekta niso vezani le na ozko področje elektrokemijskih sončnih celic, temveč jih bo možno koristno uporabiti tudi na področju pametnih oken (angl. »photochromic devices«), ki v svoji zgradbi vključujejo EKSC majhnih moči, ki poskrbi za obarvanje okna pod osvetlitvijo. Številni pridobljeni rezultati so bili predstavljeni na konferencah in so ali bodo objavljeni v znanstvenih člankih. Glede na zanimivost rezultatov kot tudi izredno aktualnost tematike je upravičeno pričakovati veliko število citatov v prihodnjih letih. Raziskave v okviru projekta so odprla tudi nova sodelovanja s tujimi laboratoriji in utrdila že obstoječa sodelovanja.
Pomen za razvoj Slovenije
Rezultati pridobljeni v podoktorskem projektu so pokazali, da se v elektrokemijske sončne celice (EKSC) med izdelavo pogosto skupaj z elektrolitom nenamerno vnašajo majhni kristali na osnovi joda. Segrevanje celic na 80 °C za 1 h raztopi kristale, kar poveča učinkovitost pretvorbe in prepreči nadaljnjo rast kristalov. To stabilizira delovanje EKSC, zato je segrevanje celic po izdelavi vselej priporočljivo. Rezultati so tudi pokazali, da celice v veliki meri degradirajo, če so starane v kratkem stiku, medtem ko izkazujejo presenetljivo dobro stabilnost v odprtih sponkah in še zlasti v točki maksimalne moči, kjer sončne celice tudi običajno delujejo. Izkazalo se je tudi, da se zaradi rasti ali raztapljanja kristalov zmogljivost EKSC lahko reverzibilno spreminja, zato je oznaka nestabilnosti pri EKSC lahko včasih tudi neupravičena; v temi in na hladnem kristali postopoma rastejo in znižujejo učinkovitost EKSC, rast je pospešena pri priključeni prevodni napetosti, medtem ko se kristali topijo pri povišani temperaturi (T ) 60 °C), kar pomeni, da imajo EKSC sposobnost samoobnove med delovanju na prostem. Zaključki projekta niso vezani le na ozko področje elektrokemijskih sončnih celic, temveč jih bo možno koristno uporabiti tudi na področju pametnih oken (angl. »photochromic devices«), ki v svoji zgradbi vključujejo EKSC majhnih moči, ki poskrbi za obarvanje okna pod osvetlitvijo. Številni pridobljeni rezultati so bili predstavljeni na konferencah in so ali bodo objavljeni v znanstvenih člankih. Glede na zanimivost rezultatov kot tudi izredno aktualnost tematike je upravičeno pričakovati veliko število citatov v prihodnjih letih. Raziskave v okviru projekta so odprla tudi nova sodelovanja s tujimi laboratoriji in utrdila že obstoječa sodelovanja.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
