az 1960-as évek végén felfedezték, hogy a megvilágított szerves festékek villamos energiát termelhetnek az elektrokémiai cellák oxid elektródáin. A fotoszintézis elsődleges folyamatainak megértése és szimulálása érdekében a jelenséget a Berkeley-i Kaliforniai Egyetemen tanulmányozták a spenótból kivont klorofill segítségével (bio-mimetikus vagy bionikus megközelítés). Az ilyen kísérletek alapján 1972-ben bemutatták és megvitatták a festékszenzibilizációs napelem (dssc) elven keresztül történő villamosenergia-termelést. A festék instabilitását napelem fő kihívásként azonosították. Hatékonysága a következő két évtizedben javítható a finom oxidporból előállított elektróda porozitásának optimalizálásával, de az instabilitás továbbra is problémát jelentett.
a modern n-típusú DSSC, a DSSC leggyakoribb típusa, titán-dioxid nanorészecskék porózus rétegéből áll, amelyet molekuláris festék borít, amely elnyeli a napfényt, mint például a zöld levelekben található klorofill. A titán-dioxidot elektrolitoldat alá merítjük, amely felett platina alapú katalizátor van. A hagyományos alkáli elemekhez hasonlóan egy anódot (a titán-dioxidot) és egy katódot (a platinát) helyeznek a folyadékvezető (az elektrolit) mindkét oldalára.
az n-típusú Dssc-k működési elve néhány alapvető lépésben összefoglalható. A napfény áthalad az átlátszó elektródon a festékrétegbe, ahol gerjesztheti az elektronokat, amelyek aztán az N típusú félvezető, jellemzően titán-dioxid vezetési sávjába áramlanak. A titán-dioxidból származó elektronok ezután az átlátszó elektróda felé áramlanak, ahol összegyűjtik őket a terhelés táplálására. Miután átfolytak a külső áramkörön, újra bevezetik őket a cellába a hátsó fémelektródán, más néven ellenelektródán, és az elektrolitba áramlanak. Az elektrolit ezután visszaviszi az elektronokat a festékmolekulákba, és regenerálja az oxidált festéket.
a fenti működési elv hasonló a p-típusú DSSC, ahol a festékérzékeny félvezető p-típusú jellegű (jellemzően nikkel-oxid). Ahelyett, hogy elektronot injektálna a félvezetőbe, egy p-típusú DSSC-ben egy lyuk áramlik a festékből a P-típusú félvezető vegyértéksávjába.
a festékkel szenzibilizált napelemek elválasztják a szilícium által biztosított két funkciót a hagyományos cellák kialakításában. Általában a szilícium a fotoelektronok forrásaként működik, valamint biztosítja az elektromos mezőt a töltések elválasztására és áram létrehozására. A festékkel szenzibilizált napelemben a félvezető nagy részét kizárólag töltés szállítására használják, a fotoelektronokat külön fényérzékeny festékből biztosítják. A töltéselválasztás a festék, a félvezető és az elektrolit közötti felületeken történik.
a festékmolekulák meglehetősen kicsiek (nanométer méretűek), ezért a bejövő fény ésszerű mennyiségének elfogásához a festékmolekulák rétegét meglehetősen vastagabbá kell tenni, sokkal vastagabbá, mint maguk a molekulák. Ennek a problémának a kezelésére egy nanoanyagot használnak állványként, hogy nagyszámú festékmolekulát tartsanak egy 3D-s mátrixban, növelve a molekulák számát A sejt adott felületén. A meglévő tervekben ezt az állványt a félvezető anyag biztosítja, amely kettős feladatot szolgál.
számláló elektróda Anyagokszerkesztés
a dssc egyik legfontosabb összetevője a számláló elektróda. Amint azt korábban említettük, az ellenelektród felelős az elektronok gyűjtéséért a külső áramkörből, majd visszavezetéséért az elektrolitba, hogy katalizálja a redox transzfer redukciós reakcióját, általában I3 – nak nek I-. Ezért fontos, hogy a számláló elektróda ne csak magas elektron vezetőképességgel és diffúziós képességgel rendelkezzen, hanem elektrokémiai stabilitással, magas katalitikus aktivitással és megfelelő sávszerkezettel is. A jelenleg leggyakrabban használt ellenelektróda anyag a platina a dssc-kben, de magas költségei és szűkös erőforrásai miatt nem fenntartható. Így sok kutatás összpontosított új hibrid és adalékolt anyagok felfedezésére, amelyek helyettesíthetik a platinát hasonló vagy kiváló elektrokatalitikus teljesítménnyel. Az egyik ilyen, széles körben tanulmányozott kategória magában foglalja a kobalt, nikkel és vas (CCNI) kalkogén vegyületeit, különösen a morfológia, a sztöchiometria és a szinergia hatásait a kapott teljesítményre. Megállapítottuk, hogy az anyag elemi összetétele mellett ez a három paraméter nagymértékben befolyásolja a kapott ellenelektróda hatékonyságát. Természetesen számos más anyagot kutatnak jelenleg, például erősen mezoporózus szénatomokat, ón alapú anyagokat, arany nanostruktúrákat, valamint ólom alapú nanokristályokat. A következő szakasz azonban különféle folyamatban lévő kutatási erőfeszítéseket állít össze, amelyek kifejezetten a CCNI-vel kapcsolatosak a DSSC számláló elektróda teljesítményének optimalizálása érdekében.
MorphologyEdit
a számláló elektródát alkotó nanorészecskék morfológiája még azonos összetétel mellett is olyan szerves szerepet játszik a teljes fotovoltaikus hatásfok meghatározásában. Mivel az anyag elektrokatalitikus potenciálja nagymértékben függ a redox Fajok diffúziójának és redukciójának megkönnyítésére rendelkezésre álló felület nagyságától, számos kutatási erőfeszítés összpontosult a dssc számláló elektródák nanoszerkezeteinek morfológiájának megértésére és optimalizálására.
2017-ben Huang et al. különböző felületaktív anyagokat használt a cose2/CoSeO3 kompozit kristályok mikroemulzióval támogatott hidrotermális szintézisében nanokubák, nanorodok és nanorészecskék előállításához. E három morfológia összehasonlítása azt mutatta, hogy a hibrid kompozit nanorészecskék, mivel a legnagyobb elektroaktív felülettel rendelkeznek, a legnagyobb teljesítményátalakítási hatékonysággal rendelkeztek, 9,27% – kal, még magasabb, mint a platina megfelelője. Nem csak, hogy a nanorészecske morfológiája a legmagasabb csúcsáramsűrűséget és a legkisebb potenciális rést mutatta az anódos és a katódos csúcspotenciálok között, így a legjobb elektrokatalitikus képességet jelenti.
hasonló vizsgálattal, de más rendszerrel, Du et al. 2017-ben megállapították, hogy a NiCo2O4 hármas oxidja rendelkezik a legnagyobb energiaátalakítási hatékonysággal és elektrokatalitikus képességgel, mint nanoflowers, összehasonlítva a nanorodokkal vagy nanosheetekkel. Du et al. rájött, hogy a különböző növekedési mechanizmusok feltárása, amelyek elősegítik a nanoflowers nagyobb aktív felületének kiaknázását, megnyithatja a DSSC alkalmazások kiterjesztését más területekre.
Sztöchiometriaedit
természetesen az ellenelektródaként használt anyag összetétele rendkívül fontos egy működő fotovoltaikus létrehozásához, mivel a vegyértéknek és a vezetési energiasávoknak átfedésben kell lenniük a redox elektrolitfajokéval, hogy lehetővé tegyék a hatékony elektroncserét.
2018-ban Jin et al. elkészített háromkomponensű nikkel-kobalt-szelenid (NixCoySe) filmek a nikkel és a kobalt különböző sztöchiometrikus arányaiban, hogy megértsék annak hatását a kapott sejt teljesítményére. A nikkel és a kobalt bimetál ötvözeteiről ismert volt, hogy kiemelkedő elektronvezetéssel és stabilitással rendelkeznek, így a sztöchiometria optimalizálása ideális esetben hatékonyabb és stabilabb cellateljesítményt eredményez, mint az egyedül fémes társaik. Ez az eredmény, hogy Jin et al. a Ni0. 12co0.80Se kiváló teljesítményátalakítási hatékonyságot (8,61%), alacsonyabb töltésátviteli impedanciát és magasabb elektrokatalitikus képességet ért el, mint platina és bináris szelenid társai.
SynergyEdit
egy utolsó terület, amelyet aktívan tanulmányoztak, a különböző anyagok szinergiája a kiváló elektroaktív teljesítmény elősegítésében. Akár különféle töltésszállító anyagokon, elektrokémiai fajokon vagy morfológiákon keresztül, a különböző anyagok közötti szinergikus kapcsolat kihasználása utat nyitott még újabb ellenelektróda anyagok számára.
2016-ban Lu et al. vegyes nikkel-kobalt-szulfid mikrorészecskék redukált grafén-oxiddal (rGO) nanoflakes a számláló elektróda létrehozásához. Lu et al. felfedezte, hogy nemcsak az rGO katalizátorként működik a trijodid redukció felgyorsításában, hanem azt is, hogy a mikrorészecskék és az rGO szinergikus kölcsönhatása csökkentette a teljes rendszer töltésátviteli ellenállását. Bár ennek a rendszernek a hatékonysága valamivel alacsonyabb volt, mint a platina analógja (az NCS/rGO rendszer hatékonysága: 8,96%; a Pt rendszer hatékonysága: 9,11%), platformot biztosított a további kutatások elvégzéséhez.
ConstructionEdit
az eredeti gr Enterprises és O ‘ Regan terv esetében a cella 3 fő részből áll. A tetején egy fluoriddal adalékolt ón-dioxidból (SnO2:F) készült átlátszó anód található, amely egy (jellemzően üveg) lemez hátoldalán helyezkedik el. Ennek a vezetőképes lemeznek a hátoldalán egy vékony réteg titán-dioxid (TiO2), amely rendkívül porózus szerkezetté alakul, rendkívül nagy felülettel. A (TiO2) kémiailag kötődik egy úgynevezett folyamat szinterezés. A TiO2 csak a nap fotonjainak (az UV-ben lévőknek) csak kis részét szívja fel. A lemezt ezután egy fényérzékeny ruténium-polipiridil festék (más néven molekuláris szenzibilizátorok) és egy oldószer keverékébe merítik. Miután a filmet a festékoldatban áztattuk, a festék vékony rétegét kovalensen kötjük a Tio felületére2. A kötés vagy észter, kelátképző, vagy bidentát áthidaló kapcsolat.
ezután külön lemezt készítünk a jodid elektrolit vékony rétegével, amely egy vezetőképes lemezre, jellemzően platinafémre van elosztva. A két lemezt ezután összekapcsolják és lezárják, hogy megakadályozzák az elektrolit szivárgását. Az építkezés elég egyszerű, hogy vannak hobbikészletek, amelyek kézzel készíthetők. Bár számos “fejlett” anyagot használnak, ezek olcsóak a normál cellákhoz szükséges szilíciumhoz képest, mivel nem igényelnek drága gyártási lépéseket. A TiO2-t például már széles körben használják festékalapként.
az egyik hatékony DSCs eszköz ruténium alapú molekuláris festéket használ, pl. (N3), amely karboxilátrészeken keresztül kötődik egy fotoanódhoz. A fotoanód 12 db, átlátszó, 10-20 nm átmérőjű TiO2 nanorészecskéből álló, 4 db, jóval nagyobb (400 nm átmérőjű) részecskékből álló, a fotonokat az átlátszó filmbe szóró, 4 nm vastag fóliával borított filmből áll. A gerjesztett festék gyorsan befecskendez egy elektront a Tio-ba2 fényelnyelés után. A befecskendezett elektron a szinterezett részecskehálózaton keresztül diffundál, amelyet az elülső oldalon összegyűjtenek átlátszó vezető oxid (TCO) elektróda, míg a festéket redukcióval regenerálják egy oldatban oldott i3−/I− redox transzfer. A transzfer oxidált formájának diffúziója a számláló elektródához befejezi az áramkört.
A Dscsedit mechanizmusa
a következő lépések a hagyományos n-típusú dssc fotonok (fény) árammá alakulnak:
- a beeső fotont elnyeli a fényérzékenyítő (pl. Ru komplex) adszorbeálódik a TiO2 felületen.
- a fényérzékenyítők az alapállapotból (ok) ból gerjesztett állapotba (ok) kerülnek (ok). A gerjesztett elektronokat a TiO2 elektróda vezetési sávjába injektáljuk. Ez a fényérzékenyítő (S+) oxidációját eredményezi.
S + hν → S∗(1)
S ⋅ → TiO 2 S + + e − {\displaystyle {\ce {S^{.}->{S+}+e-}}}(2)
- a TiO2 vezetési sávjában lévő injektált elektronokat a TiO2 nanorészecskék között szállítják diffúzióval a hátsó érintkezés felé (TCO). Az elektronok végül az áramkörön keresztül érik el a számláló elektródát.
- az oxidált fényérzékenyítő (s+) elektronokat fogad el a redox mediátorból, jellemzően I-ion redox mediátorból, ami az alapállapot (ok) regenerálódásához vezet, és két i− iont elemi Jóddá oxidálnak, amely reagál I−az oxidált állapotba, I3 -.
S+ + e− → S(3)
- az oxidált redox mediátor, az i3−, diffundál a számláló felé elektródát, majd i− ionokra redukálódik.
I3− + 2 e− → 3 I−(4)
a dssc hatékonysága a komponens négy energiaszintjétől függ: a fényérzékenyítő gerjesztett állapotától (kb. lumo) és alapállapotától (homo), a TiO2 elektróda Fermi szintjétől és a mediátor (I−/i3−) redoxpotenciáljától az elektrolitban.
Nanoplant-szerű morfológia
a DSSC-ben az elektródák szinterezett félvezető nanorészecskékből álltak, főleg TiO2 vagy ZnO. Ezek a nanorészecske-DSC-k a félvezető nanorészecskéken keresztüli csapda-korlátozott diffúzióra támaszkodnak az elektrontranszporthoz. Ez korlátozza az eszköz hatékonyságát, mivel ez egy lassú szállítási mechanizmus. A rekombináció nagyobb valószínűséggel fordul elő hosszabb sugárzási hullámhosszon. Sőt, a nanorészecskék szinterezéséhez magas hőmérsékletre van szükség, körülbelül 450 Ft, ami korlátozza ezeknek a sejteknek a gyártását robusztus, merev szilárd szubsztrátumokra. Bebizonyosodott, hogy a dssc hatékonysága növekszik, ha a szinterezett Nanorészecske elektródát egy speciálisan tervezett elektródra cserélik, amelynek egzotikus ‘nanoplant-szerű’ morfológiája van.
OperationEdit
egy hagyományos n-típusú DSSC-ben a napfény az átlátszó SnO2:F felső érintkezőn keresztül jut be a sejtbe, megütve a festéket a TiO2 felületén. Fotonok, amelyek elegendő energiával ütik meg a festéket, hogy felszívódjanak, létrehozzák a festék gerjesztett állapotát, amelyből egy elektron “befecskendezhető” közvetlenül a tio vezetési sávjába2. Innen diffúzióval (egy elektronkoncentráció-gradiens eredményeként) mozog a tetején lévő tiszta anódig.
eközben a festékmolekula elveszít egy elektront, és a molekula lebomlik, ha nincs másik elektron. A festék a Tio alatti elektrolitban lévő jodidból csíkot készít2, trijodiddá oxidálva. Ez a reakció meglehetősen gyorsan megy végbe ahhoz az időhöz képest, amely alatt az injektált elektron rekombinálódik az oxidált festékmolekulával, megakadályozva ezt a rekombinációs reakciót, amely hatékonyan rövidre zárja a napelemet.
ezután a trijodid visszanyeri hiányzó elektronját azáltal, hogy mechanikusan diffundál a cella aljára, ahol az ellenelektróda a külső áramkörön való átfolyás után újra bevezeti az elektronokat.
Efficienciyedit
a napelemek jellemzésére számos fontos intézkedést alkalmaznak. A legnyilvánvalóbb az adott mennyiségű napenergiára termelt villamos energia teljes mennyisége, amely a cellán ragyog. Százalékban kifejezve, ez az úgynevezett napenergia konverziós hatékonyság. Az elektromos teljesítmény az áram és a feszültség szorzata, ezért ezeknek a méréseknek a maximális értékei is fontosak, Jsc, ill. Voc. Végül, az alapul szolgáló fizika megértése érdekében a” kvantumhatékonyságot ” arra használják, hogy összehasonlítsák annak esélyét, hogy egy foton (egy adott energiából) létrehoz egy elektront.
kvantumhatékonyság szempontjából a Dssc-k rendkívül hatékonyak. A nanostruktúra “mélysége” miatt nagyon nagy az esélye annak, hogy egy foton felszívódik, és a színezékek nagyon hatékonyan konvertálják őket elektronokká. A dssc-kben előforduló kis veszteségek többsége a TiO2 és a tiszta elektróda vezetési veszteségeinek vagy az elülső elektróda optikai veszteségeinek köszönhető. A zöld fény teljes kvantumhatékonysága körülbelül 90%, az “elveszett” 10% – ot nagyrészt a felső elektróda optikai veszteségei teszik ki. A hagyományos minták kvantumhatékonysága vastagságuktól függően változik, de nagyjából megegyezik a DSSC-vel.
elméletileg az ilyen cellák által generált maximális feszültség egyszerűen a TiO2 (kvázi)Fermi szintje és az elektrolit redoxpotenciálja közötti különbség, körülbelül 0,7 V napvilágítási körülmények között (Voc). Vagyis, ha egy megvilágított DSSC-t egy voltmérőhöz csatlakoztatnak egy “nyitott áramkörben”, akkor körülbelül 0,7 V. a feszültség szempontjából a Dssc-k valamivel magasabb Voc-t kínálnak, mint a szilícium, körülbelül 0,7 V-ot 0,6 V-hoz képest.
bár a festék nagyon hatékonyan konvertálja az abszorbeált fotonokat szabad elektronokká a Tio-ban2, végül csak a festék által elnyelt fotonok termelnek áramot. A fotonabszorpció sebessége a szenzibilizált TiO2 réteg abszorpciós spektrumától és a napáram spektrumától függ. A két spektrum közötti átfedés határozza meg a maximális lehetséges fotoáramot. A tipikusan használt festékmolekulák általában gyengébb abszorpcióval rendelkeznek a spektrum vörös részében a szilíciumhoz képest, ami azt jelenti, hogy a napfényben lévő fotonok közül kevesebb használható a jelenlegi generációhoz. Ezek a tényezők korlátozzák a dssc által generált áramot, összehasonlításképpen, egy hagyományos szilícium alapú napelem körülbelül 35 mA/cm2, míg a jelenlegi Dssc-k körülbelül 20 mA/cm2.
a jelenlegi Dssc-k teljes csúcsteljesítmény-konverziós hatékonysága körülbelül 11%. A prototípusok jelenlegi rekordja 15%.
DegradationEdit
a Dssc-K ultraibolya sugárzásnak kitéve lebomlanak. 2014-ben az általánosan használt amorf Spiro-MeOTAD lyukszállító réteg levegőszivárgását azonosították a lebomlás elsődleges okaként, nem pedig oxidációként. A károsodást megfelelő gát hozzáadásával el lehet kerülni.
a barrier réteg tartalmazhat UV-stabilizátorokat és/vagy UV-elnyelő lumineszcens kromoforokat (amelyek hosszabb hullámhosszon bocsátanak ki, amelyeket a festék újra felszívhat) és antioxidánsokat a sejt hatékonyságának védelme és javítása érdekében.
AdvantagesEdit
a Dssc-K jelenleg a rendelkezésre álló leghatékonyabb harmadik generációs (2005-ös alapkutatás napenergia hasznosítása 16) napenergia-technológia. Az egyéb vékonyréteg-technológiák jellemzően 5-13% között vannak, a hagyományos olcsó kereskedelmi szilíciumpanelek pedig 14-17% között működnek. Ez vonzóvá teszi a Dssc-ket, mint a meglévő technológiák helyettesítését az “alacsony sűrűségű” alkalmazásokban, mint például a tetőtéri napkollektorok, ahol az üveg nélküli kollektor mechanikai robusztussága és könnyű súlya jelentős előnyt jelent. Lehet, hogy nem olyan vonzóak a nagyszabású telepítéseknél, ahol a magasabb költségű, nagyobb hatékonyságú cellák életképesebbek, de még a dssc konverziós hatékonyságának kis növekedése is alkalmassá teheti őket ezekre a szerepekre is.
van egy másik terület, ahol a Dssc-k különösen vonzóak. Az elektron közvetlenül a Tio-ba történő befecskendezésének folyamata2 minőségileg különbözik a hagyományos sejtekben előforduló folyamattól, ahol az elektront az eredeti kristályon belül “elősegítik”. Elméletileg, tekintettel az alacsony termelési sebességre, a szilíciumban lévő nagy energiájú elektron újra összekapcsolódhat a saját lyukával, fotont (vagy más energiaformát) bocsátva ki, amely nem eredményez áramot. Bár ez a konkrét eset nem biztos, hogy gyakori, egy másik atom által generált elektron meglehetősen könnyen kombinálható egy korábbi fotoexcitációban hátrahagyott lyukkal.
összehasonlításképpen, a dssc-ben alkalmazott befecskendezési eljárás nem vezet be lyukat a Tio-ba2, csak egy extra elektron. Bár energetikailag lehetséges, hogy az elektron rekombinálódjon a festékbe, ennek sebessége meglehetősen lassú ahhoz képest, hogy a festék visszanyeri az elektront a környező elektrolitból. Rekombináció közvetlenül a TiO2-ből az elektrolitban lévő fajokba is lehetséges, bár az optimalizált eszközök esetében ez a reakció meglehetősen lassú. Éppen ellenkezőleg, az elektrontranszfer a platinával bevont elektródról az elektrolitban lévő fajokra szükségszerűen nagyon gyors.
e kedvező “differenciál kinetika” eredményeként a Dssc-k gyenge fényviszonyok között is működnek. A dssc-k ezért felhős égbolton és nem közvetlen napfényben is képesek dolgozni, míg a hagyományos minták “kivágást” szenvednének a megvilágítás alsó határán, amikor a töltéshordozó mobilitása alacsony, és a rekombináció fő kérdéssé válik. A levágás olyan alacsony, hogy még beltéri használatra is javasolják őket, energiát gyűjtve a kis eszközök számára a ház lámpáiból.
a dssc-k gyakorlati előnye a legtöbb vékonyréteg-technológiával, hogy a cella mechanikai robusztussága közvetetten nagyobb hatékonysághoz vezet magasabb hőmérsékleten. Bármely félvezetőben a növekvő hőmérséklet elősegíti az elektronok egy részét a vezetési sávba “mechanikusan”. A hagyományos szilíciumcellák törékenysége megköveteli, hogy megvédjék őket az elemektől, általában úgy, hogy egy üvegházhoz hasonló üvegdobozba zárják őket, szilárdságuk érdekében fém hátlappal. Az ilyen rendszerek hatékonysága észrevehetően csökken, mivel a sejtek belsőleg felmelegednek. A dssc-k általában csak egy vékony vezetőképes műanyag réteggel vannak felépítve az elülső rétegen, lehetővé téve számukra a hő sokkal könnyebb sugárzását, ezért alacsonyabb belső hőmérsékleten működnek.
Hátrányokszerkesztés
a dssc kialakításának fő hátránya a folyékony elektrolit használata, amelynek hőmérsékleti stabilitási problémái vannak. Alacsony hőmérsékleten az elektrolit lefagyhat, megállítva az energiatermelést és potenciálisan fizikai károsodáshoz vezethet. A magasabb hőmérséklet miatt a folyadék kitágul, így a panelek tömítése komoly problémát jelent. További hátrány, hogy a dssc előállításához költséges ruténium (festék), platina (katalizátor), valamint vezető üveg vagy műanyag (érintkezés) szükséges. A harmadik nagy hátrány az, hogy az elektrolit oldat illékony szerves vegyületeket (vagy VOC-kat) tartalmaz, olyan oldószereket, amelyeket gondosan le kell zárni, mivel veszélyesek az emberi egészségre és a környezetre. Ez, valamint az a tény, hogy az oldószerek áthatják a műanyagokat, kizárta a nagyszabású kültéri alkalmazást és a rugalmas szerkezetbe való integrációt.
a folyékony elektrolit szilárd anyaggal történő cseréje a kutatás egyik fő területe. A megszilárdult olvadt sókat alkalmazó legújabb kísérletek némi ígéretet mutattak, de jelenleg a folyamatos működés során nagyobb lebomlást szenvednek, és nem rugalmasak.
Fotokatódok és tandem cellákszerkeszt
a Festékérzékeny napelemek fotoanódként (n-DSC) működnek, ahol a fényáram a szenzibilizált festék elektron befecskendezéséből származik. A fotokatódok (p-DSC-K) inverz üzemmódban működnek a hagyományoshoz képest n-DSC, ahol a festék-gerjesztést gyors elektronátvitel követi egy p-típusú félvezetőből a festékbe (festék-szenzibilizált lyukbefecskendezés, elektron injekció helyett). Az ilyen p-DSC-k és n-DSC-k kombinálhatók tandem napelemek (PN-DSC-k) létrehozására, és a tandem DSC-k elméleti hatékonysága jóval meghaladja az egycsatlakozású DSC-két.
a standard tandem cella egy n-DSC-ből és egy p-DSC-ből áll, egyszerű szendvicskonfigurációban, köztes elektrolitréteggel. az n-DSC és a p-DSC sorba vannak kötve, ami azt jelenti, hogy a kapott fotoáramot a leggyengébb fotoelektród vezérli, míg a fotovoltaikus elemek additív. Így a fotoáram-illesztés nagyon fontos a nagyon hatékony tandem PN-DSC-k felépítéséhez. Az n-DSC-kkel ellentétben azonban a festékszenzibilizált lyuk befecskendezését követő Gyors töltés rekombináció általában alacsony fotoáramokat eredményezett a p-DSC-ben, így akadályozta a teljes eszköz hatékonyságát.
a kutatók azt találták, hogy a perylenemonoimidet (PMI) tartalmazó festékek alkalmazása akceptorként és egy oligotiofén, amely a trifenilaminhoz kapcsolódik, mint donor, nagymértékben javítja a P-DSC teljesítményét azáltal, hogy csökkenti a töltés rekombinációs sebességét a festékérzékeny lyuk befecskendezését követően. A kutatók egy tandem DSC eszközt készítettek NiO-val a p-DSC oldalon, TiO2-vel az n-DSC oldalon. A fotoáram-illesztést a NIO és a TiO2 filmvastagság beállításával sikerült elérni az optikai abszorpciók szabályozásához, és ezért mindkét elektróda fotoáramához illeszkedtek. A készülék energiaátalakítási hatékonysága 1,91%, ami meghaladja az egyes komponensek hatékonyságát, de még mindig jóval alacsonyabb, mint a nagy teljesítményű n-DSC eszközöké (6% -11%). Az eredmények továbbra is ígéretesek, mivel a tandem DSC önmagában kezdetleges volt. A P-DSC teljesítményének drámai javulása végül sokkal nagyobb hatékonyságú tandem eszközökhöz vezethet, mint a magányos n-DSC-k.
mint korábban említettük, a szilárdtest elektrolit használata számos előnnyel jár a folyadékrendszerrel szemben (például nincs szivárgás és gyorsabb töltésszállítás), amelyet a festékérzékeny fotokatódok esetében is megvalósítottak. Az elektront szállító anyagok, például a PCBM, a TiO2 és a ZnO felhasználásával a hagyományos folyékony redox pár elektrolit helyett a kutatóknak sikerült szilárdtest p-DSC-ket (p-ssDSCs) gyártaniuk, amelynek célja a szilárdtest tandem festékérzékeny napelemek, amelyek sokkal nagyobb fotovoltaikus eredményeket érhetnek el, mint egy folyékony tandem eszköz.