現代のn型DSSC、DSSCの最も一般的なタイプは、緑の葉のクロロフィルのように、日光を吸収する分子染料で覆われた二酸化チタンナノ粒子の多孔質層 二酸化チタンは、電解質溶液の下に浸漬され、その上に白金系触媒がある。 従来のアルカリ電池と同様に、液体導体（電解質）の両側に陽極（二酸化チタン）と陰極（白金）が配置されています。n型DSSCsの動作原理は、いくつかの基本的な手順に要約することができます。
n型DSSCsの動作原理は、いくつかの基本的な手順に要約することがで 太陽光は透明電極を通過して色素層に入り、電子を励起してn型半導体、典型的には二酸化チタンの伝導帯に流れ込む。 二酸化チタンからの電子は負荷に動力を与えるために集められる透明な電極の方にそれから流れます。 外部回路を通って流れた後、それらは裏面の金属電極（対向電極としても知られる）上のセルに再導入され、電解質に流入する。 電解質は、その後、色素分子に戻って電子を輸送し、酸化された色素を再生します。
上記の基本的な動作原理は、色素増感半導体がp型性質（典型的には酸化ニッケル）であるp型DSSCで同様である。
上記の基本的な動作原理は、色素増感半導体がp型性質（典型的には酸化ニッケル）である。 しかし、p型DSSCでは、半導体に電子を注入する代わりに、色素からp型半導体の価電子帯に正孔が流れます。
色素増感太陽電池は、従来のセル設計でシリコンによって提供される二つの機能を分離します。 通常、シリコンは、電荷を分離し、電流を生成するために電界を提供するだけでなく、光電子の源の両方として機能します。 色素増感型太陽電池では、半導体の大部分は電荷輸送のためにのみ使用され、光電子は別個の感光性色素から提供される。 電荷分離は、色素、半導体および電解質の間の表面で起こる。
色素分子は非常に小さい（ナノメートルサイズ）ので、入ってくる光の合理的な量を捕捉するためには、色素分子の層は分子自体よりもはるかに厚く、か この問題に対処するために、ナノ材料は、細胞の任意の所定の表面積のための分子の数を増加させ、3-Dマトリックス中の色素分子の多数を保持するた 既存の設計では、この足場は二重義務に役立つ半導体材料によって提供される。
対向電極材料編集
DSSCの最も重要な構成要素の一つは、対向電極です。 前に述べたように、対向電極は、外部回路から電子を収集し、それらを電解質に導入して、酸化還元シャトル、一般にI3-からI-の還元反応を触媒する。 したがって、対向電極は、高い電子伝導性および拡散能力だけでなく、電気化学的安定性、高い触媒活性および適切なバンド構造を有することが重要で 現在使用されている最も一般的な対向電極材料は、Dsscでは白金であるが、その高いコストと希少な資源のために持続可能ではない。 このように、多くの研究は、同等または優れた電気触媒性能と白金を置き換えることができる新しいハイブリッドおよびドープ材料の発見に向けて焦点を当ててきました。 広く研究されているそのようなカテゴリーの一つには、コバルト、ニッケル、鉄（CCNI）のカルコゲン化合物、特に形態学、化学量論、および結果として生じる性能に及ぼす相乗効果が含まれる。 材料の元素組成に加えて、これらの三つのパラメータは、結果として生じる対向電極効率に大きく影響することが分かった。 もちろん、メソポーラス性の高い炭素、スズ系材料、金ナノ構造、鉛系ナノ結晶など、現在研究されている様々な材料があります。 しかし、以下のセクションでは、DSSC対向電極性能の最適化に向けたCCNIに関連するさまざまな進行中の研究努力をまとめています。
MorphologyEdit
同じ組成であっても、対向電極を構成するナノ粒子の形態は、全体的な太陽光発電の効率を決定する上で不可欠な役割を果たす。 材料の電気触媒電位は、酸化還元種の拡散と還元を容易にするために利用可能な表面積の量に大きく依存するため、多くの研究努力は、DSSC対向電極のナノ
2017年、Huang et al. ナノキューブ、ナノロッド、およびナノ粒子を生成するためにCose2/Coseo3複合結晶のマイクロエマルション支援水熱合成に様々な界面活性剤を利用しました。 これらの三つの形態の比較は、最大の電気活性表面積を有するために、ハイブリッド複合ナノ粒子は、その白金の対応よりもさらに高い9.27％の最高 それだけでなく，ナノ粒子形態は陽極と陰極のピーク電位の間に最も高いピーク電流密度と最小の電位ギャップを示し，最良の電気触媒能力を示唆した。
同様の研究ではあるが、異なるシステムでは、Du et al. 2017年には、Nico2O4の三元酸化物は、ナノロッドやナノシートと比較して、ナノフローとして最大の電力変換効率と電気触媒能力を持っていたことが決定された。 Du et al. ナノフローの大きな活性表面積を利用するのに役立つ様々な成長メカニズムを探索することは、他の分野にDSSCアプリケーションを拡張するための開口部
Stiichiometryedit
もちろん、原子価および伝導エネルギーバンドが効率的な電子交換を可能にするために酸化還元電解質種のものと重複しなければならな
2018年、Jin et al. 得られたセル性能への影響を理解するために，ニッケルとコバルトの様々な化学量論比で三元ニッケルコバルトセレン化（Ｎｉｘｃｏｙｓｅ）膜を調製した。 ニッケルおよびコバルトのバイメタル合金は顕著な電子伝導および安定性があると知られていた従って化学量論を最大限に活用することは理想的に単一金属同等より有効で、安定した細胞の性能を作り出す。 このような結果がJin et al. Ni0.12co0.80seは、白金および二成分セレン化物の両方よりも優れた電力変換効率（8.61％）、低い電荷移動インピーダンス、および高い電気触媒能力を達成した
SynergyEdit
積極的に研究されている最後の領域は、優れた電気活性性能を促進する上で異なる材料の相乗効果です。 様々な電荷輸送材料、電気化学種、または形態を介して、異なる材料間の相乗関係を利用するかどうかは、さらに新しい対向電極材料のための道を開い
2016年、Lu et al. 硫化ニッケルコバルト微粒子と還元グラフェン酸化物（rGO）ナノフレークを混合して対向電極を作製した。 Lu et al. rGOが三ヨウ化物還元を促進する助触媒として作用するだけでなく、微粒子とrGOが相乗的な相互作用を有し、系全体の電荷移動抵抗を減少させること このシステムの効率はプラチナアナログ（NCS/rGOシステムの効率：8.96％、Ptシステムの効率：9.11％）よりもわずかに低かったが、さらなる研究を行うことがで
ConstructionEdit
元のGrätzelとO’Reganのデザインの場合、セルには3つの主要部分があります。 上部には、（典型的にはガラス）板の背面に堆積したフッ化物ドープ二酸化スズ（Sno2：F）で作られた透明陽極がある。 この伝導性の版の背部で非常に高い表面積の非常に多孔性の構造に形作る二酸化チタン（Tio2）の薄い層はあります。 (Tio2)は焼結と呼ばれるプロセスによって化学的に区切られます。 Tio2は太陽光子（紫外線のそれら）の小さい一部分だけを吸収します。 次に、感光性ルテニウム-ポリピリジル色素（分子増感剤とも呼ばれる）と溶媒の混合物にプレートを浸漬する。 フィルムを染料溶液に浸漬した後、染料の薄い層をTio2の表面に共有結合したままにする。 結合は、エステル、キレート、または二座架橋結合のいずれかである。次に、ヨウ化物電解質の薄い層を導電性シート、典型的には白金金属の上に広げて別のプレートを作る。
別のプレートを作る。
別のプレートを作る。
別の 次に、2つのプレートを接合し、電解液の漏れを防止するために一緒に密封する。 建設は、それらを手で構築するために利用可能な趣味のキットがあることを十分に簡単です。 それらは多くの「高度な」材料を使用していますが、高価な製造工程を必要としないため、通常のセルに必要なシリコンと比較して安価です。 例えばtio2はペンキの基盤として既に広く利用されています。
効率的なDSSCsデバイスの一つは、カルボキシレート部分を介して光アノードに結合しているルテニウムベースの分子色素、例えば（N3）を使用しています。 フォトアノードは、12μ mの厚さの透明な10-20nmの直径のTio2ナノ粒子の膜で構成され、はるかに大きな（400nmの直径）粒子の厚さ4μ mの膜で覆われており、透明な膜に光子を散乱させる。 励起された色素は、光吸収後にTio2に電子を急速に注入する。 注入された電子は、前側透明導電性酸化物（TCO）電極に収集される焼結粒子ネットワークを介して拡散し、染料は、溶液に溶解した酸化還元シャトルI3−/I−によ 対向電極へのシャトルの酸化形態の拡散は、回路を完成させる。
Dsscseditのメカニズム
次のステップは、従来のn型DSSC光子（光）を電流に変換します。
- 入射光子は光増感剤によって吸収されます（例えば。 Ru錯体）をTio2表面に吸着した。
- 光増感剤は基底状態（S）から励起状態（s β）に励起される。 励起された電子は、Tio2電極の伝導帯に注入される。 これにより、光増感剤（Ｓ＋）が酸化される。
S + hν → S∗(1)
S ⋅ → TiO 2 S + + e − {\displaystyle {\ce {S^{.}->{S+}+e-}}}(2)
- Tio2の伝導帯に注入された電子は、tio2ナノ粒子間で輸送され、バックコンタクト（TCO）に向かって拡散する。 そして、電子は最終的に回路を介して対向電極に到達する。
- 酸化光増感剤（S+）は、酸化還元メディエーター、典型的にはI−イオン酸化還元メディエーターから電子を受け取り、基底状態の再生をもたらし、二つのI−イオンはi−と反応して酸化状態、I3-に反応する素ヨウ素に酸化される。
S+ + e− → S(3)
- 酸化還元メディエーター、I3−は、対向電極に向かって拡散し、それがIに還元されます-イオン
I3− + 2 e− → 3 I−iv
dsscの効率は、光増感剤の励起状態（ほぼlumo）と基底状態（homo）、tio2電極のフェルミ準位、電解質中のメディエータの酸化還元電位（i−/i3−）の四つのエネルギー準位に依存する。
ナノプラント様形態編集
DSSCでは、電極は主にTio2またはZnOの焼結半導体ナノ粒子で構成されていました。 これらのナノ粒子DSSCsは、電子輸送のための半導体ナノ粒子を介してトラップ制限拡散に依存しています。 これは遅い輸送のメカニズムであるので装置効率を限る。 再結合は、より長い波長の放射線で発生する可能性が高い。 さらに、ナノ粒子の焼結には約450℃の高温が必要であり、これらのセルの製造は堅牢で剛性の高い固体基板に制限されます。 焼結ナノ粒子電極をエキゾチックな”ナノプラント様”形態を有する特別に設計された電極に置き換えると，ＤＳＳＣの効率が増加することが証明されている。
操作編集
従来のn型DSSCでは、太陽光は透明なSno2：Fトップコンタクトを介してセルに入り、Tio2の表面上の色素に当たる。 吸収されるのに十分なエネルギーで色素に衝突する光子は、色素の励起状態を作り、そこから電子をTio2の伝導帯に直接注入することができる。 そこから、それは拡散によって（電子濃度勾配の結果として）上の透明な陽極に移動する。一方、色素分子は電子を失い、別の電子が提供されない場合、分子は分解する。
一方、色素分子は電子を失い、別の電子が提供されない場合、分子は分解す 染料はTio2の下の電解物のヨウ化物からの1つを除去し、三ヨウ化物にそれを酸化します。 この反応は、注入された電子が酸化された色素分子と再結合するのにかかる時間と比較して非常に迅速に起こり、太陽電池を効果的に短絡させるこ
三ヨウ化物は、セルの底部に機械的に拡散することによって欠けている電子を回復し、対向電極は外部回路を通って流れた後に電子を再導入する。
三ヨウ化物は、セルの底部に機械的に拡散することによって、その欠けている電子を回復する。
EfficiencyEdit
メイン記事：太陽変換効率いくつかの重要な措置は、太陽電池を特徴付けるために使用されています。 最も明白なのは、セルに輝く太陽光発電の所与の量のために生成された電力の総量です。 パーセンテージで表され、これは太陽変換効率として知られています。 電力は電流と電圧の積であるため、これらの測定の最大値もそれぞれJscとVocも重要です。 最後に、基礎となる物理学を理解するために、「量子効率」を使用して、（特定のエネルギーの）1つの光子が1つの電子を生成する可能性を比較します。量子効率の用語では、DSSCsは非常に効率的です。
量子効率の用語では、DSSCsは非常に効率的です。 ナノ構造におけるそれらの「深さ」のために、光子が吸収される可能性が非常に高く、色素はそれらを電子に変換するのに非常に効果的である。 DSSCに存在する小さな損失のほとんどは、Tio2とクリア電極の伝導損失、または前面電極の光学損失によるものです。 緑色光の全体的な量子効率は約90％であり、「失われた」10％は主に上部電極の光学損失によって占められています。 従来の設計の量子効率は、その厚さによって異なりますが、DSSCとほぼ同じです。
理論的には、このようなセルによって生成される最大電圧は、単にTio2の（準）フェルミ準位と電解質の酸化還元電位の差であり、太陽照明条件下（Voc）で約0.7Vである。 つまり、照らされたDSSCが”開回路”で電圧計に接続されている場合、それは約0.7Vを読み取るでしょう。電圧に関しては、Dsscはシリコンよりもわずかに高いVocを提供し、0.7Vと比較して0.6Vである。
色素は、吸収された光子をTio2の自由電子に変換するのに非常に効率的ですが、色素によって吸収された光子のみが最終的に電流を生成します。
光子吸収の速度は増感されたTio2層の吸収スペクトルと太陽フラックススペクトルに依存する。 これら二つのスペクトル間の重複は最大可能な光電流を決定する。 一般的に使用される色素分子は、一般に、シリコンに比べてスペクトルの赤色部分での吸収が悪く、太陽光中の光子の数が少ないことを意味します。 これらの要因は、比較のために、従来のシリコンベースの太陽電池は約35mA/cm2を提供し、現在のDsscは約20mA/cm2を提供するDSSCによって生成される電流
現在のDSSCsの全体的なピーク電力変換効率は約11%です。 プロトタイプの現在の記録は15％です。
劣化編集
DSSCsは紫外線にさらされると劣化します。 2014年には、一般的に使用されているアモルファススピロ-MeOTAD正孔輸送層の空気浸潤が、酸化ではなく劣化の主な原因として同定された。 損傷は適切な障壁の付加によって避けることができます。バリア層は、ＵＶ安定剤および／またはＵＶ吸収発光発色団（色素によって再吸収され得るより長い波長で放出する）および細胞の効率を保護および改善す
AdvantagesEdit
DSSCsは現在、利用可能な最も効率的な第三世代（2005基礎研究太陽エネルギー利用16）太陽技術です。 他の薄膜技術は、典型的には5％から13％の間であり、伝統的な低コストの商業用シリコンパネルは14％から17％の間で動作する。 これはDSSCsをガラスなしのコレクターの機械強さそしてライト級選手が主要な利点である屋上のソーラーコレクタのような”低密度”の適用の既存の技術の これらは、高コストの高効率セルがより実行可能な大規模な展開には魅力的ではないかもしれませんが、DSSC変換効率のわずかな増加であっても、こDSSCsが特に魅力的な別の領域があります。
電子を直接Tio2に注入するプロセスは、電子が元の結晶内で「促進」される伝統的なセルで発生するプロセスとは質的に異なります。 理論的には、生産速度が低い場合、シリコン中の高エネルギー電子はそれ自身の穴と再結合し、光子（または他の形態のエネルギー）を放出し、電流が生成さ この特定のケースは一般的ではないかもしれませんが、別の原子によって生成された電子が以前の光励起で残された穴と結合することはかなり容比較して、DSSCで使用される注入プロセスは、Tio2に正孔を導入せず、余分な電子のみを導入する。 電子が色素に再結合することはエネルギー的に可能であるが、これが起こる速度は、色素が周囲の電解質から電子を取り戻す速度に比べて非常に遅い。 電解質中のＴｉｏ２から種への直接の再結合も可能であるが、やはり、最適化された装置のためには、この反応はかなり遅い。 逆に、白金被覆電極から電解質中の種への電子移動は必然的に非常に高速である。
これらの良好な”差動速度論”の結果として、DSSCsは低照度条件下でも機能します。 従ってDSSCsは曇った空および非直接日光の下で働けます従来の設計が充満キャリアの移動性が低く、再結合が主要な問題になるとき照明の低限で”切り欠き”に苦しむ一方。 カットオフは非常に低く、屋内での使用のために提案されており、家の中のライトから小さなデバイスのためのエネルギーを集めています。
DSSCsがほとんどの薄膜技術と共有する実用的な利点は、セルの機械的ロバスト性が間接的により高い温度でより高い効率につながることです。 どの半導体でも、温度を上げると、いくつかの電子が伝導帯に「機械的に」促進されます。 従来のケイ素の細胞のもろさはそれらが強さのための金属の裏付けが付いている温室に類似したガラス箱のそれらを、普通包むことによって要素から保護されるようにそれらが要求する。 そのようなシステムは細胞が内部的に熱すると同時に効率の顕著な減少に苦しむ。 DSSCsは前部層の伝導性のプラスチックの薄い層だけと普通造られ、従って熱を大いにより容易に放射するようにそれらがより低い内部温度で作動す
欠点編集
DSSC設計の主な欠点は、温度安定性の問題を有する液体電解質の使用である。 低温では、電解質は凍結し、電力生産を停止し、潜在的に物理的損傷を引き起こす可能性があります。 より高い温度により液体はパネルに深刻な問題を密封することを拡大します。 もう一つの欠点は、高価なルテニウム（染料）、白金（触媒）、および導電性ガラスまたはプラスチック（接触）がDSSCを製造するために必要であることである。 第三の大きな欠点は、電解質溶液に揮発性有機化合物（またはVOC）が含まれていることであり、それらは人間の健康および環境に有害であるため、慎重に これは、溶媒がプラスチックに浸透するという事実と共に、適用範囲が広い構造に大規模な屋外の適用そして統合を排除した。
液体電解質を固体に置き換えることは、研究の主要な進行中の分野となっています。 固化溶融塩を用いた最近の実験は、いくつかの約束を示しているが、現在、継続運転中に高い劣化に苦しみ、柔軟ではありません。
光陰極とタンデムセル編集
色素増感太陽電池は、光アノード（n-DSC）として動作し、光電流は増感色素による電子注入に起因する。 光陰極（ｐ-Ｄｓｃ）は，従来のｎ-ＤＳＣと比較して逆モードで動作し，色素励起に続いてｐ型半導体から色素への急速な電子移動（電子注入の代わりに色素増感正孔注入）が行われる。 このようなp-Dscとn-Dscは、タンデム太陽電池（pn-Dsc）を構築するために組み合わせることができ、タンデムDscの理論的効率は、単一接合Dscのそれをはるかに超え
標準的なタンデムセルは、中間電解質層を有する簡単なサンドイッチ構成の一つのn-DSCと一つのp-DSCからなる。 ｎ-ＤＳＣとｐ-ｄｓｃは直列に接続されており，得られた光電流は最も弱い光電極によって制御されるが，光起電力は添加剤であることを意味する。 したがって，高効率タンデムｐ ｎ-Ｄｓｃの構築には光電流マッチングが非常に重要である。 しかし，ｎ-Ｄｓｃｓとは異なり，色素増感正孔注入後の高速電荷再結合は通常，ｐ-ＤＳＣにおける光電流が低くなり，デバイス全体の効率が妨げられた。
研究者らは、アクセプターとしてペリレンメモノイミド（PMI）とドナーとしてトリフェニルアミンに結合したオリゴチオフェンを含む色素を使用すると、色素増感正孔注入後の電荷再結合速度を低下させることにより、p-DSCの性能を大幅に向上させることを見出した。 研究者らは、p-DSC側にNiOとN-DSC側にTio2を有するタンデムDSCデバイスを構築した。 従って光電流の一致は光学吸収を制御し、両方の電極の光電流に一致させるためにNiOおよびTio2フィルムの厚さの調節によって達成されました。 装置のエネルギー変換効率は個々の部品の効率を超過するが、まだ高性能n-dsc装置（6%-11%）のそれより大いに低い1.91%である。 タンデムDSCはそれ自体が初歩的であったので、結果はまだ有望です。 P-Dscの性能の劇的な改善は単独n-DSCsより大いにすばらしい効率のタンデム装置を結局もたらすことができる。
前述のように、固体電解質を使用することは、液体系（漏れがなく、電荷輸送が速いなど）よりもいくつかの利点があり、色素増感光陰極に対しても実現 従来の液体酸化還元カップル電解質の代わりにPCBM、Tio2、ZnOなどの電子輸送材料を使用して、研究者は、液体タンデムデバイスよりもはるかに大きな光起電力を達成する可能性を秘めている固体タンデム色素増感太陽電池を目指して、固体p-dscs（p-ssDSCs）を作製することができた。
