Fronteras de la Química

Introducción

Las células solares sensibilizadas por colorantes (DSCs) han atraído mucha atención en los últimos años, debido a su buen rendimiento fotovoltaico, específicamente en condiciones de baja luminosidad, así como su flexibilidad en términos de colores y apariencia, sus procedimientos de fabricación relativamente simples y su potencial bajo coste. Las células solares sensibilizadas por colorante (DSC) eficientes se desarrollaron por primera vez en la década de 1990, marcada por el trabajo pionero de O’Regan y Grätzel (1991), que utilizaron por primera vez electrodos de TiO2 mesoporosos preparados a partir de nanopartículas coloidales de TiO2 (O’Regan y Grätzel, 1991).

El mecanismo de funcionamiento de las DSC difiere mucho de otros tipos de células solares (O’Regan y Grätzel, 1991; Hagfeldt et al., 2010). En su concepción original, la DSC es una célula solar fotoelectroquímica, que consiste en un electrodo de trabajo (WE) de TiO2 mesoporoso sensibilizado por colorantes, un electrolito redox y un contraelectrodo (CE). Tanto el WE como el CE pueden ser (semi) transparentes, lo que permite iluminar la célula solar desde cualquier lado. Las moléculas de colorante, dotadas de grupos de anclaje adecuados, se adsorben en forma de monocapa en el electrodo mesoporoso de TiO2. Cuando los colorantes absorben la luz, las moléculas excitadas pueden inyectar electrones en la banda de conducción del TiO2 (reacción de transferencia de electrones (ET) 1 en la Figura 1). Un mediador redox en el electrolito regenera las moléculas de colorante oxidadas resultantes (ET 2). La forma oxidada del mediador es responsable del transporte de carga positiva al contraelectrodo mediante difusión. Por último, los electrones del TiO2 se recogen en el sustrato de vidrio recubierto de tinoxido dopado con flúor (FTO) subyacente y se mueven a través de un circuito externo hasta el contraelectrodo, donde reducen el mediador redox oxidado (ET 3), completando así el ciclo. Una presentación esquemática de estos procesos se muestra en la Figura 1.

Una serie de reacciones de recombinación en la DSC compiten con los procesos hacia adelante descritos anteriormente. La desexcitación radiativa y no radiativa del colorante compite con la inyección de electrones del colorante excitado en la banda de conducción del TiO2. Además, los electrones en el TiO2 pueden recombinarse con moléculas de colorante oxidadas (ET 4) o con la forma oxidada del mediador redox (ET 5). En los sistemas DSC optimizados, la eficiencia de conversión de fotones incidentes en corriente (IPCE) es de aproximadamente el 90%. Dado que hay algunas pérdidas por reflexión y transmisión, esto implica que cada fotón absorbido da un electrón en el circuito externo en las condiciones de medición utilizadas, normalmente en condiciones de cortocircuito. En condiciones de funcionamiento, cuando la célula solar entrega la máxima potencia (en el punto de máxima potencia, MPP), el IPCE es significativamente menor y hay pérdidas tanto de corriente como de tensión. Para optimizar completamente el DSC, estas pérdidas deben minimizarse, como se verá en la sección Factores limitantes en el DSC.

El par redox triyoduro/yoduro (I3-/I-) es el más utilizado en los DSC. Sin embargo, este complejo par redox tiene algunas limitaciones importantes, como se señaló en nuestro trabajo anterior (Boschloo y Hagfeldt, 2009). En concreto, su potencial de reducción formal (E0′) es relativamente negativo (+0,35 V frente a NHE) en comparación con el E0′ (D+/D) de los colorantes típicos (situado en aproximadamente 1 V frente a NHE), lo que provoca una gran pérdida de más de 0,5 V. El origen está en el mecanismo de regeneración de varios pasos que implica la formación del radical I2- como intermediario de la reacción. Además, el triyoduro tiene una coloración bastante fuerte y existen problemas de estabilidad a largo plazo (partículas). En resumen, el triyoduro/yoduro no es la vía para conseguir una DSC con mayor rendimiento. En la sección Componentes se discutirán varios mediadores redox alternativos prometedores para lograr DSCs más eficientes.

Una desventaja comparada con otras tecnologías de células solares es el uso de un electrolito redox líquido en DSCs eficientes. Esto hace que la encapsulación sea problemática y que los dispositivos sean menos compatibles con otras tecnologías fotovoltaicas de estado sólido. Sin embargo, el electrolito redox líquido puede sustituirse por un conductor de agujeros de estado sólido en los DSC para hacerlos completamente de estado sólido (Bach et al., 1998). Desgraciadamente, esto suele tener como consecuencia una recombinación más rápida y un menor rendimiento general.

Para lograr un impacto significativo en el campo de la energía fotovoltaica, es necesario mejorar aún más el rendimiento de las DSC. Sus eficiencias récord bajo una iluminación solar, mostradas en la Tabla 1, son ligeramente superiores al 10%, que es inferior a la de la mayoría de las otras tecnologías fotovoltaicas de la competencia. Sin embargo, para aplicaciones en interiores, el DSC tiene el récord de rendimiento con un 32% a 1.000 lux (Cao et al., 2018). Una de las razones es que el espectro de absorción del colorante puede coincidir idealmente con el espectro de emisión de una fuente de luz de interior.

Esta perspectiva se centra más en la eficiencia de las DSC, pero al final, su estabilidad a largo plazo es igualmente importante para las aplicaciones prácticas.

Factores limitantes en el DSC

El límite de Shockley-Queisser (SQ) da la máxima eficiencia alcanzable para un dispositivo fotovoltaico de unión simple, que es del 33,8% bajo una irradiación solar de 1.000 W m-2 con una distribución espectral AM1,5G (Green, 2012). Aunque este límite se derivó para dispositivos semiconductores, en principio también es válido para los DSC. El bandgap Eg establece el rango de absorción de la luz: todos los fotones con energías mayores que Eg son absorbidos y contribuyen a la fotocorriente, aquellos con energías menores son transmitidos y no utilizados. Los únicos procesos de recombinación que se consideran en la derivación del límite SQ son los procesos radiativos, ya que son inevitables. Cualquier proceso de recombinación no radiativo reducirá aún más la eficiencia. Según el análisis SQ, el bandgap óptimo es de 1,3 eV; la eficiencia máxima obtenible disminuye gradualmente hasta el 25% para Eg = 1,9 eV. Esto correspondería a un colorante con una longitud de onda de inicio de absorción de 650 nm, un valor comúnmente obtenido para los colorantes sensibilizadores eficientes en el DSC. La correspondiente fotocorriente teórica en condiciones de cortocircuito, JSC, sería de 17 mA cm-2.

Mientras que el potencial máximo de circuito abierto (VOC) en la fotovoltaica de semiconductores tiene Eg/e como límite superior absoluto, para el DSC el límite superior lo establece la diferencia entre el potencial de banda de conducción EC del TiO2 por un lado y el potencial redox del electrolito por el otro. Este valor siempre será menor que el «bandgap» del colorante. La CE de la TiO2 anatasa es de aproximadamente -0,5 V frente a la NHE cuando su superficie no está cargada (es decir, a pH neutro, sin adsorción de iones específicos y sin acumulación de electrones). Este nivel puede alterarse mediante aditivos en el electrolito que provoquen un cambio en la carga superficial o alteren el momento dipolar en la interfaz semiconductor/electrolito. Alternativamente, la CE puede cambiarse mediante la modificación química del TiO2, por ejemplo, mediante la incorporación de Mg en la estructura, que puede desplazar la CE a un potencial más negativo, a unos -0,7 V frente a la NHE (Kakiage et al., 2016). Las capas ultrafinas de óxido metálico (como el Al2O3) que cubren el TiO2 mesoporoso también pueden afectar a la localización del CE (Kay y Grätzel, 2002). Dichas capas también afectan a la cinética de las reacciones de transferencia de electrones interfacial, y pueden utilizarse para el ajuste de las propiedades del DSC.

El potencial electroquímico de los electrones en el TiO2, normalmente denominado Fermilevel EF, viene dado por:

donde, kB es la constante de Boltzmann, T la temperatura absoluta, e la carga elemental (kBT/e es 0.0257 V a temperatura ambiente), nc es la densidad de electrones de la banda de conducción, y Nc es la densidad efectiva de estados electrónicos en el fondo de la banda de conducción. Nc es una constante del material y es de unos 1020 cm-3 para la anatasa de TiO2. Bajo iluminación en condiciones de circuito abierto, EF depende de nc, que a su vez depende del flujo de generación de electrones inyectados y de las constantes de velocidad de recombinación de electrones. Como regla general, EF es aproximadamente 0,1 V más positivo que EC a 1 sol.

Los potenciales de reducción formales de una serie de mediadores redox para DSC se enumeran en la Tabla 1 junto con las eficiencias de registro obtenidas en DSCs. Los primeros trabajos sobre DSCs se centraron en el par redox I3-/I-, que tiene una cinética de transferencia de electrones muy favorable, dando unas pérdidas por recombinación muy bajas y un alto JSC. Sin embargo, esto se produce a costa de un COV relativamente bajo debido al valor más bien negativo del potencial redox. Los mediadores redox alternativos más exitosos tienen un potencial redox más positivo y pueden proporcionar un VOC más alto. Casi todos estos mediadores redox dan, sin embargo, una recombinación de electrones más rápida a los mediadores redox oxidados, con lo que se reduce el nivel de Fermi en el TiO2 en condiciones operativas.

El VOC más alto reportado para un DSC es de 1,4 V, y se obtuvo para un TiO2 dopado con Mg y con modificación superficial adicional por MgO y Al2O3, sensibilizado con un colorante de cumarina, y en combinación con el par redox Br3-/Br- (Kakiage et al., 2016). El dopaje y la modificación de la superficie del TiO2 elevaron el borde de la banda de conducción a unos -0,7 V frente a la NHE, mientras que el potencial formal del par redox es de unos +0,9 V frente a la NHE.

Los mejores DSC con electrolito redox de Co(bpy)3 pueden obtener un VOC de unos 0,9 V. El VOC de los mejores ssDSC con conductor de agujeros spiro-MeOTAD es de unos 0,8 V. Como los potenciales redox del Co y del conductor de agujeros spiro:MeOTAD difieren en unos 0,2 V, esto implica que el nivel de Fermi en el TiO2 es unos 0,3 eV más bajo en el TiO2 mesoporoso para el dispositivo ssDSC en condiciones de iluminación de circuito abierto. Esto se debe a una cinética de recombinación de electrones mucho más rápida. Utilizando la ecuación 1, se puede estimar que la concentración de electrones de la banda de conducción es muchos órdenes de magnitud menor en el ssDSC que en el Co(bpy)3-DSC.

Como se indica en la figura 1, el nivel de energía del colorante en estado básico muestra una distribución gaussiana, con una energía media que está por debajo de la energía redox formal en una cantidad igual a la energía de reorganización λ. En los niveles de energía de excitación D* deberían solaparse con los niveles de aceptor en la banda de conducción del TiO2 para una inyección eficiente de electrones. Un valor más bajo de λ permitiría una mayor coincidencia entre la CE del semiconductor y el potencial estándar calculado para el colorante excitado, E0(D+/D*) y una menor pérdida de tensión en el DSC. La energía de reorganización del colorante se debe a la reorganización molecular interna del colorante cuando cambia de estado redox y a la reorganización externa de la envoltura del disolvente. Debido a la ausencia de disolvente, las energías de reorganización deberían ser menores en el DSC en estado sólido.

La inyección de electrones (reacción 1 en la Figura 1) compite con los procesos de decaimiento radiativo y no radiativo del colorante excitado. Por lo tanto, un estado excitado de larga duración del colorante es favorable. Sin embargo, deben evitarse las pérdidas excesivas de energía durante el proceso de inyección (Haque et al., 2005). Tras la inyección, los electrones viajan a través de la película mesoporosa y se recogen en el sustrato FTO. Debe evitarse la recombinación de electrones a tinte oxidado (reacción 4) y a la forma oxidada del mediador redox (reacción 5). El tiempo de vida de los electrones es la inversa de la suma de las constantes de velocidad de ambos procesos de recombinación. A menudo se asume que la recombinación de electrones hacia el colorante oxidado es insignificante, ya que la regeneración del colorante suele ser bastante rápida en una escala de tiempo de microsegundos (reacción 3). Sin embargo, en condiciones de funcionamiento de la célula solar, se acumula una gran concentración de electrones en el TiO2 mesoporoso, lo que acelerará el proceso de recombinación de forma significativa (Haque et al., 2000). Haque et al. determinaron que el tiempo medio de recombinación para oxidar el colorante Ru (N3) disminuía a aproximadamente 1 ns cuando se aplicaba un potencial de -0,3 V frente al NHE en el electrodo de TiO2 mesoporoso (Haque et al., 2000). Por lo tanto, puede tener lugar una recombinación significativa hacia el sensibilizador oxidado en el solar sensibilizado por colorantes que opera en condiciones de MPP.

La cinética de recombinación de electrones hacia el electrolito redox depende en gran medida de la naturaleza de la forma oxidada del mediador redox. Es muy lenta para el triyoduro, más rápida para los mediadores de cobalto y más rápida aún para los mediadores basados en trifenilamina o conductores de agujeros. Para el uso exitoso de los dos últimos es crucial que la cinética pueda ser ralentizada por la modificación estructural del colorante: el grupo puede ralentizar el proceso de recombinación.

Un largo tiempo de vida de los electrones es favorable para el DSC ya que mejorará el VOC. En los DSCs normales de electrolito líquido el tiempo de vida de los electrones es típicamente de 1-10 ms bajo condiciones de circuito abierto e iluminación de un sol. El tiempo de transporte de los electrones debe ser menor que el tiempo de vida para evitar pérdidas durante el transporte. Los valores típicos en condiciones de cortocircuito son aproximadamente un orden de magnitud menor que el tiempo de vida de los electrones. En condiciones operativas (en el MPP) el transporte de electrones en el TiO2 mesoporoso no es un factor limitante, ya que el transporte se hace más rápido al acumularse más electrones, lo que resulta en un potencial más negativo para el EF. En otras palabras, la resistencia de transporte Rtr se hace más pequeña cuando se carga el condensador TiO2/electrolito CTiO2, véase la Figura 2.

En condiciones de circuito abierto la resistencia externa Rext es infinita. Toda la corriente pasa entonces por la resistencia de recombinación Rrec. Esta es la condición normal para medir el tiempo de vida del electrón τ, que es igual a Rrec × CTiO2. En condiciones de cortocircuito Rext es igual a 0. La eficiencia de recogida de carga : ηCC viene dada entonces por Rrec/(Rseries + Rtr + Rrec), donde Rseries es la resistencia en serie que se comenta más adelante. Bajo condiciones MPP encontramos: ηCC = Rrec /(Rseries + Rtr + Rext + Rrec).

Basado en este sencillo esquema, es evidente que la resistencia de recombinación debe ser maximizada para aumentar la eficiencia de recogida de corriente y la tensión de salida a través de la resistencia externa bajo condiciones MPP. La resistencia de recombinación disminuirá al aumentar el grosor y la superficie del electrodo mesoporoso. Sin embargo, al aumentar el grosor aumentará la fotocorriente generada. Para cada sistema DSC específico existe un espesor de película óptimo: Los valores típicos son ~10 μm para DSC de electrolito líquido regular y ~2 μm para DSC de estado sólido.

Algunas pérdidas de resistencia en serie son inevitables en los dispositivos DSC prácticos. Habrá algo de resistencia debido a los sustratos FTO que se utilizan, debido a la resistencia de transferencia de carga en el contraelectrodo y debido a la resistencia de difusión en el electrolito. Han et al. hacen un análisis detallado de las resistencias en el DSC, y minimizan las Rseries hasta 1,8 Ohm cm-2 optimizando el rendimiento catalítico del contraelectrodo y la distancia del electrolito entre el electrodo de trabajo y el contraelectrodo (Han et al., 2005). Al minimizar la distancia entre el WE y el CE se minimiza la resistencia de difusión en el electrolito. Sin embargo, sigue existiendo una resistencia debido a la difusión del mediador redox en los poros del electrodo de trabajo. También hay que evitar el cortocircuito entre WE y CE. El uso de PEDOT en el contraelectrodo parece evitar el cortocircuito (Cao et al., 2018).

Componentes para DSCs más eficientes

Electrodos de óxido metálico mesoporoso

El TiO2 mesoporoso (anatasa) es, con mucho, el electrodo semiconductor de banda ancha más utilizado en DSC, y hasta ahora el más exitoso. En varios estudios se ha optimizado el tamaño de las nanopartículas, la porosidad de la película y el TiCl4 después del tratamiento (Ito et al., 2008), pero los parámetros óptimos para un sistema específico de célula solar sensibilizada por colorante dependen en gran medida del colorante y del sistema mediador redox. Por ejemplo, las películas mesoporosas más porosas son mejores para las DSC con complejo de cobalto como mediador redox. Normalmente se añade una capa adicional de TiO2 reflectante sobre una capa de TiO2 transparente para mejorar la captación de luz (Ito et al., 2008). Como alternativa, se pueden incorporar partículas reflectantes (Wang et al., 2004) o huecos (Hore et al., 2005) en la película mesoporosa. La modificación de la superficie con óxidos metálicos ultrafinos puede ser beneficiosa (Kay y Grätzel, 2002; Kakiage et al., 2015). Sin embargo, algunas propiedades del TiO2 no son ideales: El TiO2 es un conocido fotocatalizador. El bandgap de la anatasa de TiO2 es de 3,2 eV, lo que implica que la luz por debajo de 390 nm puede excitar el semiconductor, lo que da lugar a agujeros altamente reactivos. Los agujeros pueden provocar reacciones de oxidación destructivas con los componentes orgánicos del DSC. Por lo tanto, los filtros UV se utilizan generalmente para los estudios de estabilidad a largo plazo de los dispositivos DSC en condiciones de plena luz solar. Hay formas de minimizar la acción fotocatalítica del TiO2, por ejemplo añadiendo una capa ultrafina de Al2O3 o MgO (Kay y Grätzel, 2002).

El uso de un semiconductor mesoporoso con un bandgap más alto es ventajoso. El SnO2 con Eg de 3,6 eV no absorberá tanta luz UV del espectro solar. El SnO2 se ha utilizado con éxito en el DSC, pero su CE se encuentra a un potencial más positivo en unos 0,5 V en comparación con el TiO2, lo que limita su rendimiento debido a la baja tensión de salida. Cubriendo el SnO2 con una capa ultrafina de óxido metálico (como ZnO, Al2O3 o MgO) se puede obtener un voltaje mucho mejor (Kumara et al., 2001; Kay y Grätzel, 2002).

El ZnO se ha estudiado intensamente como electrodo nanoestructurado en una amplia variedad de morfologías en el DSC (Zhang et al., 2009). Aunque se afirma que sus mejores propiedades de transporte de electrones deberían hacer del ZnO un mejor electrodo nanoestructurado para el DSC, no se ha encontrado un mejor rendimiento en comparación con los electrodos tradicionales de TiO2 mesoporoso. Esto se debe a que el transporte de electrones no es un factor limitante para el DSC en condiciones operativas (en el MPP). En general, otros óxidos metálicos pueden funcionar como electrodos mesoporosos en dispositivos DSC, pero hasta ahora su rendimiento es inferior al de sus homólogos de TiO2.

Colorantes

Como se comentará más adelante, existe la necesidad de contar con electrodos mesoporosos de TiO2 más finos establecidos por nuevos mediadores redox para DSC y conductores de agujeros para ssDSC. Por lo tanto, se necesitan colorantes con coeficientes de extinción más altos que los tradicionales basados en complejos de Ru. Por lo tanto, se prefieren los colorantes orgánicos, como se refleja en la Tabla 1 con los DSC de mejor rendimiento. En la Figura 3 se muestran las estructuras y algunos parámetros de absorción de los colorantes seleccionados. Muchos tintes orgánicos de éxito tienen una estructura donante-pi-aceptor (DpA), que conduce al movimiento de la densidad de electrones hacia la parte aceptora tras la fotoexcitación. Normalmente, el grupo de unión se incorpora en la parte aceptora, como en el caso del ácido cianoacrílico.

La estructura del colorante tiene un papel importante en su rendimiento general. Un buen comportamiento de bloqueo es crucial para su uso exitoso en combinación con los nuevos mediadores redox o conductores de agujeros. Los grupos estéricos pueden ralentizar la transferencia de electrones entre el TiO2 y el mediador redox oxidado o el conductor de agujeros (Feldt et al., 2010).

Otro requisito para optimizar el rendimiento es que los colorantes tengan un tiempo de vida en estado excitado relativamente largo y un alto rendimiento de fluorescencia. Debe evitarse cualquier vía de desactivación rápida, ya que afectará negativamente al rendimiento. Si el tiempo de excitación es más largo, la eficacia de la inyección aumentará. Wang et al. desarrollaron una serie de tintes orgánicos altamente fluorescentes con tiempos de vida mejorados, como el R6 con un tiempo de vida fluorescente de 260 ps para el R6 adsorbido en una película mesoporosa de Al2O3 (Ren et al., 2018).

La cosensibilización es una forma exitosa de mejorar el rendimiento del DSC. Los dispositivos de registro suelen basarse en células solares cosensibilizadas, véase la Tabla 1. Se puede conseguir una absorción de luz fuerte y pancromática seleccionando los colorantes adecuados. En varios casos, la co-sensibilización tiene el efecto beneficioso de disminuir la agregación del colorante (Ogura et al., 2009; Hao et al., 2016a). Además, se puede obtener una mayor carga de colorante. Un enfoque interesante es utilizar colorantes con diferentes grupos de unión que no compitan por los mismos sitios de unión en el TiO2. Shibayama et al. combinaron con éxito el colorante negro (con grupos de unión de ácido carboxílico) con un colorante orgánico que posee un grupo de unión de piridina (Shibayama et al., 2014). Demostraron que los colorantes se adsorbían a diferentes sitios de unión.

Mediadores redox

Los mediadores redox basados en cobalto han sido probados para DSC desde 2001 (Nusbaumer et al., 2001; Sapp et al., 2002), pero su avance llegó más tarde, en 2010, con el trabajo de Feldt et al. (2010), quienes demostraron por primera vez la eficacia de los DSC con mediadores redox basados en complejos de cobalto mediante la selección de colorantes con propiedades adecuadas. A diferencia del sistema triyoduro/yoduro, los complejos de cobalto pueden presentar una amplia gama de potenciales redox, dependiendo de la estructura química de sus ligandos. La variación de los contra-iones de estos complejos también es importante: esto puede afectar en gran medida a la solubilidad en diferentes disolventes. Permite, por ejemplo, el uso de estos mediadores redox en electrolitos de base acuosa (Ellis et al., 2016). Curiosamente, se ha informado de una buena estabilidad de los electrolitos basados en agua (Ellis et al., 2016), o que contienen grandes concentraciones de agua (Law et al., 2010), lo que puede abrir la puerta a dispositivos de células solares más respetuosos con el medio ambiente. Las estructuras y los potenciales redox de los complejos de cobalto se muestran en la Tabla 1.

Investigaciones recientes de nuestro grupo señalan claramente un problema de la actual generación de mediadores redox de cobalto: tienen una cinética de transferencia de electrones relativamente lenta (Hao et al., 2016b). La lenta reducción de las especies de Co3+ es favorable, ya que proporciona una cinética lenta para la recombinación de electrones con Co3+. Por otro lado, la regeneración relativamente lenta de las moléculas de colorante oxidadas por el Co2+ es una cuestión crítica que limitará el rendimiento del DSC. Esto no se reconoció en trabajos anteriores de DSC basados en el cobalto. La adición de un donante de electrones rápido, como una trifenilamina TPA, conduce a una regeneración muy rápida de las moléculas de colorante oxidadas, que se encuentra en la escala de tiempo sub-ns (Hao et al., 2016b). El donante oxidado es a su vez reducido por la especie Co2+. Como resultado, se encontró un VOC mucho más alto y un marcado aumento en el tiempo de vida del electrón, véase la Figura 4. La recombinación entre los electrones en el TiO2 y las moléculas de colorante oxidadas es fuertemente suprimida por el aditivo TPA, demostrando que había mucha recombinación sin este aditivo. Como resultado, el COV aumentó en unos 100 mV, mientras que el experimento de extracción de carga mostró que el nivel del borde de banda del TiO2 no cambió.

Es interesante que la adición del donante de electrones conduce a un nivel redox intermedio en el DSC. Esto no es diferente de la situación del electrolito de triyoduro/yoduro, donde el radical diyoduro da un nivel redox intermedio (Boschloo y Hagfeldt, 2009).

Otro desarrollo reciente de mediadores redox, impulsado en gran medida por nuestro grupo de investigación, es el del uso de complejos de cobre (Freitag et al., 2015, 2016; Saygili et al., 2016). Estos mediadores muestran una cinética de regeneración del colorante más rápida en comparación con los complejos de cobalto (Freitag et al., 2016). Inesperadamente, se observaron tiempos de vida de los electrones relativamente largos. Una investigación muy reciente de Hamann demostró que el estado Cu2+ es químicamente inestable y se forma un complejo de Cu con 4-tert butilpiridina, que tiene un potencial más positivo y muestra una cinética de transferencia de electrones lenta (Wang y Hamann, 2018).

DSCs de estado sólido

Para hacer DSCs de estado sólido, el electrolito redox líquido puede ser reemplazado por un material sólido transportador de agujeros (HTM). Los resultados más prometedores se han logrado con conductores de agujeros orgánicos moleculares como spiro-MeOTAD, polímeros de conducción como PEDOT y, muy recientemente, con complejos metálicos (Freitag et al., 2015).

Los HTMs orgánicos de moléculas pequeñas como spiro-MeOTAD dan una regeneración muy rápida del colorante en el régimen de picosegundos. Aunque el llenado de los poros puede ser un problema, normalmente se puede conseguir un contacto total entre el colorante y el HTM para películas de TiO2 mesoporosas relativamente finas, incluso cuando la fracción de llenado de los poros es muy inferior al 100% (Snaith et al., 2008; Cappel et al., 2009; Melas-Kyriazi et al., 2011). Las principales limitaciones de la ssDSC surgen de la muy rápida recombinación entre los electrones del TiO2 con los huecos del HTM (Snaith et al., 2008; Melas-Kyriazi et al., 2011). Esto limita el rendimiento de las ssDSC al reducir significativamente el voltaje de salida.

El sorprendente hallazgo de que las DSC desecadas con electrolito redox de complejo de Cu seguían funcionando como células solares eficientes, condujo a un nuevo tipo de ssDSC, la llamada célula solar zombi (Freitag et al., 2015). La reciente optimización condujo a una eficiencia récord del 11,7% hasta ahora (Zhang et al., 2018). A diferencia de otros HTM, se encuentran tiempos de vida de los electrones relativamente largos y se pueden utilizar películas de TiO2 relativamente gruesas. La naturaleza precisa del HTM de electrolito seco amorfo, que contiene Cu(tmbpy)2, LiTFSI, y tal vez 4-terciopiridina necesita ser explorada.

En general, los ssDSC son muy atractivos para la aplicación práctica, pero su rendimiento necesita ser mejorado. La introducción de un nivel redox intermedio puede ser útil: podría alejar los agujeros formados rápidamente de la interfaz TiO2/tinte.

Observaciones finales

A pesar de las tres décadas de intensa investigación sobre las células solares sensibilizadas por colorante, aún quedan muchos aspectos por explorar para mejorar aún más su rendimiento. Son posibles casi infinitos tipos de modificaciones de las moléculas de colorante, donde se pueden introducir grupos estéricos para ralentizar las reacciones de recombinación. Se necesita un empaquetamiento más óptimo del colorante en la superficie del TiO2 para aumentar la absorción de la luz y conseguir un mejor efecto de bloqueo. La cosensibilización ofrece buenas posibilidades en este sentido. Los nuevos mediadores redox y los HTM son la clave para lograr un mayor rendimiento de los DSC, ya que pueden ofrecer una tensión de salida mucho mayor que el par redox tradicional triyoduro/yoduro. Las DSC de alto rendimiento son interesantes para muchas aplicaciones, que van desde la fuente de energía para la electrónica de consumo hasta la construcción de sistemas fotovoltaicos integrados y la generación de energía a gran escala. La opción de alta transparencia en la región del infrarrojo cercano también se abre para el uso de DSC como una célula superior en dispositivos de células solares en tándem.

Contribuciones del autor

El autor confirma ser el único contribuyente de este trabajo y lo ha aprobado para su publicación.

Declaración de conflicto de intereses

El autor declara que la investigación se ha llevado a cabo en ausencia de cualquier relación comercial o financiera que pudiera interpretarse como un potencial conflicto de intereses.

Agradecimientos

StandUP for Energy se agradece la financiación.