Frontiers in Chemistry

Introduction

Células Solares Sensibilizadas a Tinturas (DSCs) têm atraído muita atenção nos últimos anos, devido ao seu bom desempenho fotovoltaico, especificamente sob condições de pouca luz, bem como à sua flexibilidade em termos de cores e aparência, aos seus procedimentos de fabricação relativamente simples e ao seu potencial baixo custo. As células solares sensibilizadas a corantes (DSCs) eficientes foram desenvolvidas pela primeira vez nos anos 90, marcadas pelo trabalho inovador de O’Regan e Grätzel (1991) que utilizaram pela primeira vez eletrodos mesoporos de TiO2 preparados a partir de nanopartículas coloidais de TiO2 (O’Regan e Grätzel, 1991).

O mecanismo de trabalho das DSC difere muito dos outros tipos de células solares (O’Regan e Grätzel, 1991; Hagfeldt et al., 2010). Em sua concepção original, o DSC é uma célula solar fotoeletroquímica, consistindo de um eletrodo de trabalho mesoporoso sensibilizado por TiO2 (WE), um eletrolítico redox e um contra-eletrodo (CE). Tanto o WE como o CE podem ser (semi) transparentes, o que permite a iluminação da célula solar de ambos os lados. As moléculas de corante, equipadas com grupos de ancoragem adequados, são adsorvidas como uma monocamada no eléctrodo mesoporoso de TiO2. Quando os corantes absorvem a luz, as moléculas excitadas podem injectar electrões na banda de condução de TiO2 (transferência de electrões (ET) reacção 1 na figura 1). Um mediador redox no eletrólito regenera as moléculas de corante oxidado resultantes (ET 2). A forma oxidada do mediador é responsável pelo transporte de carga positiva para o contra-eléctrodo por meio de difusão. Finalmente, os elétrons do TiO2 são coletados no substrato de vidro revestido de tinóxido de flúor (FTO) e se deslocam através de um circuito externo para o contra-elétrodo, onde reduzem o mediador redox oxidado (ET 3), completando assim o ciclo. Uma apresentação esquemática destes processos é mostrada na Figura 1.

Um número de reacções de recombinação no DSC competem com os processos de avanço descritos acima. A desexcitação radiativa e não radiativa do corante compete com a injecção de electrões do corante excitado na banda de condução do TiO2. Além disso, os elétrons no TiO2 podem recombinar com moléculas do corante oxidado (ET 4) ou com a forma oxidada do mediador redox (ET 5). Para sistemas DSC optimizados, o fotão incidente para eficiência de conversão de corrente (IPCE) é cerca de 90%. Como existem algumas perdas de reflexão e transmissão, isto implica que cada fotão absorvido dá um electrão no circuito externo nas condições de medição utilizadas, normalmente em condições de curto-circuito. Em condições de funcionamento, quando a célula solar fornece a potência máxima de saída (no ponto de potência máxima, MPP), o IPCE é significativamente mais baixo e há perdas de corrente e tensão. Para otimizar completamente o DSC estas perdas devem ser minimizadas, como será discutido na seção Fatores Limitantes no DSC.

O casal de trióide/iodeto (I3-/I-) redox é mais freqüentemente utilizado nos DSCs. No entanto, este complexo casal redox tem alguma limitação séria, como apontado em nosso trabalho anterior (Boschloo e Hagfeldt, 2009). Especificamente, o seu potencial de redução formal (E0′) é relativamente negativo (+0,35 V vs. NHE) em comparação com o E0′ (D+/D) de corantes típicos (localizados em ca. 1 V vs. NHE), resultando numa grande perda de mais de 0,5 V. A origem está no mecanismo de regeneração em várias etapas que envolve a formação do radical I2 como um intermediário de reação. Além disso, o triiodeto é bastante colorido e há problemas com estabilidade a longo prazo (partículas). Em resumo, o triiodeto/iodeto não é o caminho para DSC com maior desempenho. Vários mediadores redox alternativos promissores serão discutidos na seção Componentes para DSCs mais eficientes.

Uma desvantagem em comparação com outras tecnologias de células solares é o uso de um eletrólito redox líquido em DSCs eficientes. Isto torna o encapsulamento problemático e torna os dispositivos menos compatíveis com outras tecnologias fotovoltaicas de estado sólido. O electrólito líquido redox pode, no entanto, ser substituído por um condutor de furo de estado sólido em DSCs para fazer DSCs de estado totalmente sólido (Bach et al., 1998). Infelizmente, isto geralmente vem ao custo de uma recombinação mais rápida e um desempenho geral mais baixo.

Para ter um impacto significativo no campo da fotovoltaica, o desempenho do DSC precisa de ser melhorado ainda mais. A sua eficiência recorde sob 1 iluminação solar, mostrada na Tabela 1, é ligeiramente superior a 10%, o que é inferior à da maioria das outras tecnologias fotovoltaicas concorrentes. Para aplicações interiores, contudo, a DSC detém o recorde em desempenho com 32% a 1.000 lux (Cao et al., 2018). Uma razão para isso é que o espectro de absorção do corante pode idealmente corresponder ao espectro de emissão de uma fonte de luz interior.

Esta perspectiva foca mais na eficiência dos DSCs, mas no final, a sua estabilidade a longo prazo é igualmente importante para aplicações práticas.

Factores Limitantes nos DSC

O limite Shockley-Queisser (SQ) dá a eficiência máxima atingível para um único dispositivo fotovoltaico de junção, que é 33,8% abaixo de 1.000 W m-2 de irradiação solar com distribuição espectral AM1,5G (Verde, 2012). Embora este limite tenha sido derivado para dispositivos semicondutores, em princípio também é válido para DSCs. O limite Eg define o alcance da absorção de luz: todos os fotões com energias maiores que o Eg são absorvidos e contribuem para a foto-corrente, aqueles com energias menores são transmitidos e não utilizados. Os únicos processos de recombinação considerados na derivação do limite de SQ são os processos radiativos, uma vez que estes são inevitáveis. Qualquer processo de recombinação não-radiativa irá diminuir ainda mais a eficiência. De acordo com a análise do SQ o limite ótimo é de 1,3 eV; a eficiência máxima obtida diminui gradualmente até 25% para Eg = 1,9 eV. Isto corresponderia a um corante com um comprimento de onda de início de absorção de 650 nm, um valor geralmente obtido para corantes sensibilizantes eficientes no DSC. A fotocorrente teórica correspondente em condições de curto-circuito, JSC, seria de 17 mA cm-2,

A medida que o potencial máximo de circuito aberto (COV) em fotovoltaicos semicondutores tem Eg/e como limite superior absoluto, para DSC o limite superior é estabelecido pela diferença entre o potencial da banda de condução EC do TiO2 de um lado e o potencial redox do eletrólito do outro lado. Este valor será sempre menor do que o “bandgap” do corante. EC de TiO2 anatase é cerca de -0,5 V vs. NHE quando a sua superfície está sem carga (ou seja, em pH neutro, sem adsorção de íons específicos e sem acumulação de elétrons). Este nível pode ser alterado por aditivos no electrólito que levam a uma alteração na carga superficial ou alteram o momento dipolo na interface semicondutor/electrólito. Alternativamente, a CE pode ser alterada pela modificação química do TiO2, por exemplo, pela incorporação de Mg na estrutura, que pode mudar a CE para um potencial mais negativo, para cerca de -0,7 V vs. NHE (Kakiage et al., 2016). As camadas ultrafinas de óxido de metal (como Al2O3) que cobrem o TiO2 mesoporoso também podem afetar a localização da CE (Kay e Grätzel, 2002). Tais camadas também afetam a cinética das reações de transferência de elétrons interfaciais, e podem ser usadas para o ajuste fino das propriedades do DSC.

O potencial eletroquímico dos elétrons no TiO2, geralmente chamado de EF de nível Fermilevel, é dado por:

onde, kB é a constante de Boltzmann, T a temperatura absoluta, e a carga elementar (kBT/e é 0.0257 V à temperatura ambiente), nc é a densidade dos elétrons da banda de condução, e Nc é a densidade efetiva dos estados eletrônicos na parte inferior da banda de condução. Nc é uma constante material e é cerca de 1020 cm-3 para TiO2 anatase. Sob iluminação em condições de circuito aberto EF depende de nc, que por sua vez depende do fluxo de geração de elétrons injetados e das constantes de taxa para recombinação de elétrons. Como regra geral, o EF é cerca de 0,1 V mais positivo que o EC a 1 sol.

Potenciais de redução formais de uma série de mediadores redox para DSC estão listados na Tabela 1, juntamente com as eficiências obtidas nos DSCs. O trabalho inicial nos DSCs centrou-se no casal I3-/I- redox, que tem uma cinética de transferência de electrões muito favorável, dando perdas de recombinação muito baixas e JSC elevado. Isto vem, no entanto, ao custo de um COV relativamente baixo devido ao valor bastante negativo do potencial redox. Os mediadores redox alternativos bem sucedidos têm um potencial redox mais positivo e podem fornecer COV mais elevado. Quase todos estes mediadores redox dão, no entanto, uma recombinação mais rápida dos electrões aos mediadores redox oxidados, baixando assim o nível Fermi no TiO2 em condições operacionais.

O COV mais elevado reportado para um COV é 1,4 V, e foi obtido para um TiO2 modificado por MgO e Al2O3, sensibilizado por um corante cumarina, e em combinação com o casal Br3-/Br- redox (Kakiage et al., 2016). A dopagem e modificação da superfície do TiO2 elevou a borda da banda de condução para cerca de -0,7 V vs. NHE, enquanto o potencial formal do casal redox é de cerca de +0,9 V vs. NHE.

O melhor desempenho dos DSCs com electrólito Co(bpy)3 redox pode obter um VOC de cerca de 0,9 V. O VOC para melhor ssDSC com condutor de furo spiro-MeOTAD é de cerca de 0,8 V. Como os potenciais redox do condutor de Co e do spiro:MeOTAD diferem em cerca de 0,2 V, isto implica que o nível Fermi em TiO2 é cerca de 0,3 eV mais baixo no TiO2 mesoporoso para o dispositivo ssDSC em condições de iluminação em circuito aberto. Isto é devido a uma cinética de recombinação de elétrons muito mais rápida. Usando a Equação 1, pode-se estimar que a concentração de elétrons da banda de condução é muitas ordens de magnitude menor no ssDSC do que no Co(bpy)3-DSC.

Como indicado na Figura 1, o nível de energia do corante de estado de terra exibe uma distribuição Gaussiana, com uma energia média que está abaixo da energia redox formal por uma quantidade igual à energia de reorganização λ. Após a excitação os níveis de energia D* devem se sobrepor aos níveis de aceitador na banda de condução de TiO2 para uma injeção eficiente de elétrons. Um valor inferior de λ permitiria uma correspondência mais próxima entre a CE do semicondutor e o potencial padrão calculado para o corante excitado, E0(D+/D*) e menos perda de tensão no DSC. A energia de reorganização do corante é devida à reorganização molecular interna do corante quando este muda de estado redox e reorganização externa do invólucro do solvente. Devido à ausência de solvente, as energias de reorganização devem ser menores no estado sólido DSC.

A injeção de elétrons (reação 1 na Figura 1) compete com processos de decaimento radiativos e não radiativos do corante excitado. Um estado de excitação do corante de longa duração é, portanto, favorável. Perdas excessivas de energia durante o processo de injeção devem, entretanto, ser evitadas (Haque et al., 2005). Após a injeção, os elétrons viajam através do filme mesoporoso e são coletados no substrato do FTO. Deve-se evitar a recombinação dos elétrons com o corante oxidado (reação 4) e a forma oxidada do mediador redox (reação 5). A vida útil dos elétrons é o inverso da soma das constantes de taxa de ambos os processos de recombinação. Assume-se frequentemente que a recombinação dos electrões ao corante oxidado é insignificante, uma vez que a regeneração do corante é normalmente bastante rápida numa escala temporal de microssegundos (reacção 3). Sob condições de operação de células solares, no entanto, uma grande concentração de elétrons no TiO2 mesoporoso acumulado, que irá acelerar significativamente o processo de recombinação (Haque et al., 2000). Haque et al. determinaram que o intervalo de recombinação para oxidação de Ru-dye (N3) diminuiu para cerca de 1 ns quando um potencial de -0,3 V vs. NHE foi aplicado no eletrodo mesoporoso de TiO2 (Haque et al., 2000). Portanto, uma recombinação significativa para o sensibilizador oxidado pode ocorrer na forma oxidada do mediador redox solar operando em condições MPP.

A cinética da recombinação dos elétrons ao eletrólito redox depende muito fortemente da natureza da forma oxidada do mediador redox. É muito lento para triiodeto, mais rápido para mediadores de cobalto e mais rápido ainda para mediadores à base de trifenilamina ou condutores de furos. Crucial para o uso bem sucedido dos dois últimos é que a cinética pode ser retardada pela modificação estrutural do corante: o grupo pode retardar o processo de recombinação.

Uma longa vida útil dos elétrons é favorável para o DSC, pois melhorará o COV. Nos DSCs líquidos-eletrolíticos regulares, a vida útil dos elétrons é tipicamente de 1-10 ms em condições de circuito aberto e uma iluminação solar. O tempo de transporte dos electrões deve ser menor que o tempo de vida útil para evitar perdas durante o transporte. Os valores típicos em condições de curto-circuito são cerca de uma ordem de magnitude menor do que a vida útil dos elétrons. Em condições operacionais (em MPP) o transporte de electrões no TiO2 mesoporoso não é um factor limitativo, uma vez que o transporte se torna mais rápido com mais acumulação de electrões, resultando num potencial mais negativo para a EF. Em outras palavras, a resistência de transporte Rtr torna-se menor quando o condensador TiO2/eletrólito CTiO2 é carregado, ver Figura 2.

Em condições de circuito aberto a resistência externa Rext é infinita. Toda a corrente passa então através da resistência de recombinação Rrec. Esta é a condição normal para medir a vida útil dos electrões τ, que é igual a Rrec × CTiO2. Sob condições de curto-circuito o Rext é igual a 0. A eficiência de recolha da carga: ηCC é então dada por Rrec/(Rseries + Rtr + Rrec), onde Rseries é a resistência de série discutida abaixo. Sob condições MPP encontramos: ηCC = Rrec /(Rseries + Rtr + Rext + Rrec).

Baseado neste esquema simples, é evidente que a resistência de recombinação deve ser maximizada para aumentar a eficiência de recolha de corrente e a tensão de saída através da resistência externa sob condições MPP. A resistência à recombinação irá diminuir com o aumento da espessura e da área de superfície do eletrodo mesoporoso. O aumento da espessura aumentará, no entanto, a fotocorrente gerada. Para cada sistema específico de DSC existe uma espessura óptima do filme: Os valores típicos são ~10 μm para DSC líquido regular e ~2 μm para DSC de estado sólido.

Somas perdas de resistência em série são inevitáveis em dispositivos DSC práticos. Haverá alguma resistência devido aos substratos de FTO que são utilizados, devido à resistência de transferência de carga no contra-electrodo e devido à resistência de difusão no electrólito. Han et al. fazem uma análise detalhada das resistências no DSC e minimizam Rseries até 1,8 Ohm cm-2, otimizando o desempenho catalítico do contra-eletrodo e a distância do eletrólito entre o trabalho e o contra-eletrodo (Han et al., 2005). Ao minimizar a distância entre WE e CE, a resistência de difusão no eletrólito é minimizada. Entretanto, ainda há uma resistência remanescente devido à difusão do mediador redox nos poros do eletrodo de trabalho. O curto-circuito entre WE e EC também deve ser evitado. O uso de PEDOT no contra-eléctrodo parece evitar curto-circuito (Cao et al., 2018).

Componentes para DSCs mais eficientes

Eléctrodos de óxido metálico mesoporos

TiO2 (anátase) mesoporoso é de longe o eléctrodo semicondutor de banda larga mais utilizado em DSC, e até agora o mais bem sucedido. Em vários estudos o tamanho da nanopartícula, porosidade do filme e TiCl4 após o tratamento (Ito et al., 2008) foram otimizados, mas os parâmetros ideais para um sistema específico de células solares sensibilizadas por corantes dependem fortemente do corante e do sistema mediador redox. Por exemplo, filmes mesoporosos mais porosos são melhores para DSCs com complexo de cobalto como mediador redox. Uma camada adicional de TiO2 reflexivo é normalmente adicionada sobre uma camada transparente de TiO2 para uma melhor colheita de luz (Ito et al., 2008). Alternativamente, partículas refletoras (Wang et al., 2004) ou vazios (Hore et al., 2005) podem ser incorporadas ao filme mesoporoso. A modificação da superfície com óxidos de metal ultra-finos pode ser benéfica (Kay e Grätzel, 2002; Kakiage et al., 2015). No entanto, algumas propriedades do TiO2 não são ideais: O TiO2 é um fotocatalisador bem conhecido. O bandgap do TiO2 anatase é 3,2 eV, o que implica que a luz abaixo de 390 nm pode excitar o semicondutor, o que leva a furos altamente reactivos. Os furos podem levar a reacções de oxidação destrutivas com componentes orgânicos do DSC. Os filtros UV são, portanto, geralmente utilizados para estudos de estabilidade a longo prazo de dispositivos DSC sob condições de luz solar total. Existem formas de minimizar a acção fotocatalítica do TiO2, por exemplo, através da adição de uma camada ultrafina de Al2O3 ou MgO (Kay e Grätzel, 2002).

A utilização de um semicondutor mesoporoso com uma banda de protecção superior é vantajosa. SnO2 com Eg de 3,6 eV não absorverá tanta luz UV do espectro solar. SnO2 tem sido usado com sucesso em DSC, mas seu EC está localizado em potencial mais positivo em cerca de 0,5 V em comparação com o TiO2, o que limita seu desempenho devido à baixa tensão de saída. Cobrindo o SnO2 com uma camada de óxido metálico ultrathin (como ZnO, Al2O3, ou MgO) pode-se obter uma tensão muito melhor (Kumara et al., 2001; Kay e Grätzel, 2002).

ZnO tem sido estudado intensivamente como um eletrodo nanoestruturado em uma grande variedade de morfologias no DSC (Zhang et al., 2009). Embora existam alegações de que suas melhores propriedades de transporte de elétrons devem fazer do ZnO um melhor eletrodo nanoestruturado para DSC, não se encontra melhor desempenho em comparação com os eletrodos de TiO2 mesoporosos tradicionais. Isto porque o transporte de elétrons não é um fator limitante para o DSC em condições operacionais (na MPP). Em geral, outros óxidos metálicos podem funcionar como eléctrodos mesoporos em dispositivos DSC, mas até agora o seu desempenho é inferior ao dos seus homólogos de TiO2.

Dyes

Como será discutido mais tarde, existe a necessidade de eléctrodos de TiO2 mesoporos mais finos estabelecidos por novos mediadores redox para DSC e condutores de furos para ssDSC. Portanto, há uma necessidade de corantes com coeficientes de extinção mais elevados do que os corantes tradicionais à base de Ru-complex. Portanto, os corantes orgânicos são preferidos, como se reflete na Tabela 1 com os DSCs de melhor desempenho. As estruturas e alguns parâmetros de absorção de corantes selecionados são mostrados na Figura 3. Muitos corantes orgânicos de sucesso têm uma estrutura doador-pi-aceitador (DpA), o que leva ao movimento de densidade de elétrons em direção à parte aceitante após a fotoexcitação. Tipicamente, o grupo de ligação é incorporado na parte aceitante, como no caso do ácido cianoacrílico.

A estrutura de corantes tem um papel importante no seu desempenho global. Um bom comportamento de bloqueio é crucial para o uso bem sucedido em combinação com os novos mediadores redox ou condutores de buracos. Grupos estéreis podem retardar a transferência de electrões entre o TiO2 e o mediador redox oxidado ou condutor de furo (Feldt et al., 2010).

Um outro requisito para um desempenho optimizado é o de corantes com uma vida útil relativamente longa do estado excitado e um elevado rendimento de fluorescência. Qualquer caminho de desativação rápida deve ser evitado, pois isso afetará negativamente o desempenho. Se a vida útil da excitação for maior, a eficiência da injeção aumentará. Wang et al. desenvolveram uma série de corantes orgânicos altamente fluorescentes com vida útil melhorada, como o R6 com vida útil fluorescente de 260 ps para R6 adsorvido em filme mesoporoso Al2O3 (Ren et al., 2018).

Co-sensibilização é uma forma bem sucedida de melhorar o desempenho do DSC. Os dispositivos de gravação são geralmente baseados em células solares co-sensibilizadas, veja a Tabela 1. A absorção de luz forte e pancromática pode ser conseguida através da selecção de corantes adequados. Em vários casos, a co-sensibilização tem o efeito benéfico de diminuir a agregação de corantes (Ogura et al., 2009; Hao et al., 2016a). Além disso, é possível obter uma maior carga de corante. Uma abordagem interessante é utilizar corantes com diferentes grupos de ligação que não competem pelos mesmos locais de ligação em TiO2. Shibayama et al. combinaram com sucesso o corante preto (com grupos de ligação de ácido carboxílico) com um corante orgânico que possui um grupo de ligação em piridina (Shibayama et al., 2014). Eles demonstraram que os corantes adsorvidos a diferentes locais de ligação.

Mediadores redox

Mediadores redox baseados em cobalto foram testados para DSC desde 2001 (Nusbaumer et al., 2001; Sapp et al., 2002), mas seu avanço veio mais tarde em 2010 pelo trabalho de Feldt et al. (2010), que primeiro demonstraram eficiente DSCs com mediadores redox baseados em complexo de cobalto, selecionando corantes com propriedades adequadas. Em contraste com o sistema triiodeto/iodeto, os complexos de cobalto podem exibir uma ampla gama de potenciais redox, dependendo da estrutura química de seus ligantes. A variação dos íons contrários desses complexos também é importante: isso pode afetar fortemente a solubilidade em diferentes solventes. Permite, por exemplo, a utilização destes mediadores redox em electrólitos de base aquosa (Ellis et al., 2016). Curiosamente, uma boa estabilidade tem sido relatada para eletrólitos à base de água (Ellis et al., 2016), ou contendo grandes concentrações de água (Law et al., 2010), que podem se abrir para dispositivos de células solares mais amigáveis ao meio ambiente. As estruturas e potenciais redox de complexos de cobalto são mostrados na Tabela 1.

Investigações recentes em nosso grupo apontam claramente para um problema da atual geração de mediadores redox de cobalto: eles têm cinética de transferência de elétrons relativamente lenta (Hao et al., 2016b). A redução lenta das espécies de Co3+ é favorável, pois dá uma cinética lenta para a recombinação dos elétrons com Co3+. Por outro lado, a regeneração relativamente lenta das moléculas de corante oxidado por Co2+ é uma questão crítica que irá limitar o desempenho da DSC. Isto não foi reconhecido em trabalhos anteriores de DSC à base de cobalto. A adição de um doador rápido de elétrons, como a trifenilamina TPA, leva a uma regeneração muito rápida das moléculas do corante oxidado, que está na sub-ns escala de tempo (Hao et al., 2016b). O doador oxidado é, por sua vez, reduzido pela espécie Co2+. Como resultado, foi encontrado um COV muito maior e um aumento acentuado na vida útil dos electrões, ver Figura 4. A recombinação entre os elétrons em TiO2 e as moléculas de corante oxidado é fortemente suprimida pelo aditivo TPA, demonstrando que houve muita recombinação sem este aditivo. Como resultado, o COV aumentou cerca de 100 mV, enquanto o experimento de extração da carga mostrou que o nível da borda da banda do TiO2 não sofreu alterações.

Interessantemente, a adição do doador de electrões conduz a um nível intermédio de redox no CCD. Isto não é diferente da situação do triiodeto/iodeto eletrólito, onde o radical diiodeto dá um nível redox intermediário (Boschloo e Hagfeldt, 2009).

Outro desenvolvimento recente do mediador redox, impulsionado em grande parte pelo nosso grupo de pesquisa, é o do uso de complexos de cobre (Freitag et al., 2015, 2016; Saygili et al., 2016). Estes mediadores apresentam uma cinética de regeneração de corantes mais rápida em comparação com os complexos de cobalto (Freitag et al., 2016). Inesperadamente, foram observados tempos de vida relativamente longos dos electrões. Pesquisas muito recentes de Hamann demonstraram que o estado Cu2+ é quimicamente instável e um complexo Cu com 4-tert butilpiridina é formado, tendo um potencial mais positivo e exibindo cinética de lenta transferência de elétrons (Wang e Hamann, 2018).

DSCs de estado sólido

Para fazer DSCs de estado sólido, o eletrólito redox líquido pode ser substituído por um material de transporte de furo sólido (HTM). Os resultados mais promissores foram obtidos com condutores de furos orgânicos moleculares como o spiro-MeOTAD, polímeros de condução como o PEDOT, e muito recentemente, com complexos metálicos (Freitag et al., 2015).

Organic smalll-molecular HTMs como o spiro-MeOTAD dão uma regeneração muito rápida do corante no regime de picossegundos. Embora o preenchimento dos poros possa ser um problema, geralmente o contato total entre o corante e o HTM pode ser alcançado para filmes relativamente finos de TiO2 mesoporosos, mesmo quando a fração de preenchimento dos poros está bem abaixo de 100% (Snaith et al., 2008; Cappel et al., 2009; Melas-Kyriazi et al., 2011). As principais limitações do ssDSC surgem da recombinação muito rápida entre elétrons em TiO2 com furos no HTM (Snaith et al., 2008; Melas-Kyriazi et al., 2011). Isto limita o desempenho do ssDSC ao baixar significativamente a tensão de saída.

A surpreendente descoberta de que o DSC seco com o eletrólito redox cu-complexo ainda estava funcionando como células solares eficientes, levou a um novo tipo de ssDSC, a chamada célula solar zumbi (Freitag et al., 2015). A recente otimização levou a uma eficiência recorde de 11,7% até agora (Zhang et al., 2018). Ao contrário de outros HTMs, são encontrados tempos de vida relativamente longos dos electrões e podem ser usados filmes de TiO2 relativamente espessos. A natureza precisa do HTM amorfo seco-eletrolítico, contendo Cu(tmbpy)2, LiTFSI, e talvez 4-tert butylpyridine precisa ser explorada.

Em geral, os ssDSC são altamente atraentes para aplicação prática, mas seu desempenho precisa ser melhorado. A introdução de um nível redox intermediário pode ser útil: ele poderia remover rapidamente os furos formados da interface TiO2/dye.

Comentários Finais

Apesar de três décadas de intensa pesquisa sobre células solares sensibilizadas por corantes, ainda há muitos aspectos a serem explorados para melhorar ainda mais seu desempenho. Tipos quase infinitos de modificações de moléculas de corantes são possíveis, onde grupos estéreis podem ser introduzidos para retardar as reações de recombinação. Há uma necessidade de uma embalagem de tintura mais otimizada na superfície de TiO2 para aumentar a absorção de luz e para conseguir um melhor efeito de bloqueio. A co-sensibilização oferece boas possibilidades a este respeito. Novos mediadores redox e HTMs são fundamentais para um DSC de maior desempenho, pois podem oferecer uma tensão de saída muito mais alta do que o tradicional casal de triiodeto/iodeto redox. Os DSC de alto desempenho são de interesse para muitas aplicações, desde fonte de energia para eletrônica de consumo até a construção de PV integrado e geração de energia em larga escala. A opção de alta transparência na região quase infravermelha também se abre para o uso de DSC como célula superior em dispositivos de células solares tandem.

Contribuições do autor

O autor confirma ser o único contribuinte deste trabalho e o aprovou para publicação.

Conflito de interesses

O autor declara que a pesquisa foi realizada na ausência de qualquer relação comercial ou financeira que pudesse ser interpretada como um potencial conflito de interesses.

Confirmações

STandUP para Energia é reconhecido para financiamento.