In the late 1960s it was discovered that illuminated organic dyes can generate electricity at oxide electrodes in electrochemical cells. Em um esforço para entender e simular os processos primários na fotossíntese, o fenômeno foi estudado na Universidade da Califórnia em Berkeley com clorofila extraída de espinafres (abordagem bio-mimética ou biônica). Com base nesses experimentos, a geração de energia elétrica através do princípio da célula solar de sensibilização de corantes (DSSC) foi demonstrada e discutida em 1972. A instabilidade da célula solar de corante foi identificada como um desafio principal. Sua eficiência poderia, durante as duas décadas seguintes, ser melhorada otimizando a porosidade do eletrodo Preparado a partir de pó de óxido fino, mas a instabilidade permaneceu um problema.um DSSC de tipo N moderno, o tipo mais comum de DSSC, é composto por uma camada porosa de nanopartículas de dióxido de titânio, coberta com um corante molecular que absorve a luz solar, como a clorofila em folhas verdes. O dióxido de titânio é imerso em uma solução eletrolítica, acima da qual é um catalisador à base de platina. Como em uma bateria alcalina convencional, um ânodo (o dióxido de titânio) e um cátodo (a platina) são colocados em ambos os lados de um condutor líquido (o eletrólito).
O princípio de trabalho para DSSCs do tipo n pode ser resumido em algumas etapas básicas. A luz solar passa através do eletrodo transparente para a camada de Corante, onde pode excitar elétrons que então fluem para a banda de condução do semicondutor de tipo n, Tipicamente dióxido de titânio. Os elétrons do dióxido de titânio então fluem em direção ao eletrodo transparente onde eles são coletados para alimentar uma carga. Depois de fluir através do circuito externo, eles são reintroduzidos na célula em um eletrodo de metal na parte de trás, também conhecido como o eletrodo de contador, e fluem para o eletrólito. O eletrólito então transporta os elétrons de volta para as moléculas de corante e regenera o corante oxidado.
O princípio básico de funcionamento acima, é semelhante em um DSSC do tipo p, onde o semicondutor sensibilizado por corantes é de natureza do tipo p (tipicamente óxido de níquel). No entanto, em vez de injetar um elétron no semicondutor, em um DSSC de tipo p, um buraco flui do corante para a banda de Valência do semicondutor de tipo p.
As células solares sensibilizadas por corantes separam as duas funções fornecidas pelo silício num desenho celular tradicional. Normalmente o silício atua como fonte de fotoeletrons, bem como fornecendo o campo elétrico para separar as cargas e criar uma corrente. Na célula solar sensibilizada por corantes, A maior parte do semicondutor é usada apenas para o transporte de carga, os fotoelétrons são fornecidos a partir de um corante fotossensível separado. A separação da carga ocorre nas superfícies entre o corante, o semicondutor e o eletrólito.
As moléculas de corante são bastante pequenas (Tamanho de nanômetro), por isso, a fim de capturar uma quantidade razoável da luz recebida, a camada de moléculas de Corante precisa ser feita bastante espessa, muito mais espessa do que as próprias moléculas. Para resolver este problema, um nanomaterial é usado como um andaime para manter um grande número de moléculas de corante em uma matriz 3-D, aumentando o número de moléculas para qualquer área de superfície dada de células. Em projetos existentes, este andaime é fornecido pelo material semicondutor, que serve a dupla-tarefa.um dos componentes mais importantes da DSSC é o eléctrodo de contador. Como já foi dito, o eletrodo do contador é responsável pela coleta de elétrons do circuito externo e pela sua introdução de volta no eletrólito para catalisar a reação de redução do vaivém redox, geralmente I3 – a I-. Assim, é importante que o eletrodo do contador não só tenha alta condutividade eletrônica e capacidade difusiva, mas também estabilidade eletroquímica, alta atividade catalítica e estrutura de banda apropriada. O material de contador mais comum atualmente utilizado é a platina em DSSCs, mas não é sustentável devido aos seus altos custos e recursos escassos. Assim, muita pesquisa tem sido focada na descoberta de novos materiais híbridos e dopados que podem substituir a platina por desempenho eletrocatalítico comparável ou superior. Uma dessas categorias que está sendo amplamente estudada inclui compostos de calcogênio de cobalto, níquel e ferro (CCNI), particularmente os efeitos da morfologia, estequiometria e sinergia no desempenho resultante. Constatou-se que, além da composição elementar do material, estes três parâmetros afetam grandemente a eficiência do eletrodo resultante. É claro que há uma variedade de outros materiais atualmente sendo pesquisados, tais como carbons altamente mesoporosos, materiais à base de estanho, nanoestruturas de ouro, bem como nanocristais baseados em chumbo. No entanto, a secção seguinte compila uma variedade de esforços de investigação em curso especificamente relacionados com a CCNI para otimizar o desempenho do contador de eletrodos DSSC.
Morfologiedit
mesmo com a mesma composição, a morfologia das nanopartículas que compõem o eletrodo do contador desempenha um papel tão integral na determinação da eficiência do fotovoltaico global. Como o potencial eletrocatalítico de um material é altamente dependente da quantidade de área de superfície disponível para facilitar a difusão e redução das espécies redox, inúmeros esforços de pesquisa têm sido focados na compreensão e otimização da morfologia das nanoestruturas para os eletrodos DSSC.
em 2017, Huang et al. utilizei vários tensoactivos numa síntese hidrotermal assistida por microemulsão de cristais compostos CoSe2/CoSeO3 para produzir nanocubos, nanorods e nanopartículas. A comparação destas três morfologias revelou que as nanopartículas compósitas híbridas, devido a ter a maior área de superfície eletroativa, tinham a maior eficiência de conversão de potência de 9,27%, ainda mais alta do que a sua contraparte platina. Além disso, a morfologia das nanopartículas mostrou a maior densidade da Corrente de pico e menor distância potencial entre os potenciais de pico anódico e catódico, implicando assim a melhor capacidade eletrocatalítica.
com um estudo semelhante, mas com um sistema diferente, Du et al. em 2017 determinou que o óxido ternário de NiCo2O4 tinha a maior eficiência de conversão de energia e capacidade eletrocatalítica como nanoflower quando comparado com nanorods ou nanosheets. Du et al. percebeu que explorar vários mecanismos de crescimento que ajudam a explorar as maiores áreas de superfície ativas de nanoflower pode proporcionar uma abertura para estender aplicações DSSC a outros campos.
StoichiometryEdit
é claro, a composição do material que é usado como eletrodo de contador é extremamente importante para a criação de um trabalho fotovoltaico, como as bandas de energia de Valência e condução devem se sobrepor com as das espécies de eletrólitos redox para permitir uma troca eficiente de elétrons. em 2018, Jin et al. películas ternárias preparadas de seleneto de cobalto de níquel ternário (NixCoySe) a várias razões estequiométricas de níquel e cobalto para compreender o seu impacto no desempenho celular resultante. As ligas bimetálicas de níquel e cobalto eram conhecidas por terem excelente condução e estabilidade de elétrons, então otimizar sua estequiometria produziria idealmente um desempenho celular mais eficiente e estável do que suas contrapartes únicas metálicas. Tal é o resultado que Jin et al. encontrado, como Ni0. 12Co0. 80Se alcançou eficiência superior de conversão de energia (8,61%), menor impedância de transferência de carga, e maior capacidade eletrocatalítica do que suas contrapartes platina e selenida binária.
Sinergyedit
uma última área que tem sido ativamente estudada é a sinergia de diferentes materiais na promoção de desempenho eletroativo superior. Seja através de vários materiais de transporte de carga, espécies eletroquímicas, ou morfologias, a exploração da relação sinergética entre diferentes materiais tem pavimentado o caminho para novos materiais de eletrodo de contador.
em 2016, Lu et al. micropartículas de sulfeto de cobalto de níquel misto com nanoflakes reduzidos de óxido de grafeno (rGO) para criar o eletrodo de contador. Lu et al. descobriu não só que o rGO atuava como um co-catalisador na aceleração da redução do triiodeto, mas também que as micropartículas e o rGO tinham uma interação sinergística que diminuía a resistência de transferência de carga do sistema global. Embora a eficiência deste sistema fosse ligeiramente inferior à do seu análogo platina (eficiência do sistema NCS/rGO: 8,96%; eficiência do sistema Pt: 9.11%), ele forneceu uma plataforma sobre a qual mais pesquisas podem ser realizadas.
ConstructionEdit
No caso do projeto original de Grätzel e O’Regan, a célula tem 3 partes primárias. No topo está um ânodo transparente feito de dióxido de estanho dopado com fluoreto (SnO2:F) depositado na parte de trás de uma placa (tipicamente de vidro). Na parte de trás desta placa condutora está uma fina camada de dióxido de titânio (TiO2), que se forma em uma estrutura altamente porosa com uma área de superfície extremamente alta. O (TiO2) é quimicamente ligado por um processo chamado sinterização. TiO2 absorve apenas uma pequena fração dos fótons solares (aqueles no UV). A placa é então imersa numa mistura de um corante fotossensível de ruténio-polipiridilo (também chamado sensibilizantes moleculares) e um solvente. Depois de ensopar a película na solução de Corante, uma fina camada do corante é deixada covalentemente ligada à superfície do TiO2. A ligação é um éster, quelante ou ligação de Ponte bidentato.uma placa separada é então feita com uma fina camada do eletrólito de iodeto espalhada sobre uma folha condutora, tipicamente metal de platina. As duas placas são então Unidas e seladas em conjunto para evitar que o eletrólito de vazamento. A construção é simples o suficiente para que existam Kits de hobby disponíveis para a construção manual. Embora eles usem uma série de materiais “avançados”, estes são baratos em comparação com o silício necessário para as células normais, porque eles não exigem etapas de fabricação caras. TiO2, por exemplo, já é amplamente usado como uma base de pintura.
Um dos dispositivos eficientes DSSCs usa corante molecular à base de rutênio, por exemplo (N3), que é ligado a um fotoanode via grupos carboxilato. O fotoanodo é constituído por uma película de 12 µm de espessura transparente de 10-20 nm de diâmetro TiO2, nanopartículas cobertas com uma película de 4 µm de espessura de partículas muito maiores (diâmetro de 400 nm) que espalham fotões de volta para a película transparente. O corante excitado injecta rapidamente um electrão no TiO2 após absorção da luz. O electrão injectado difunde−se através da rede de partículas sinterizadas para ser recolhido no eléctrodo de óxido condutor transparente (TCO) do lado frontal, enquanto o corante é regenerado por redução de um vaivém redox, i3−/I -, dissolvido numa solução. A difusão da forma oxidada do vaivém para o eletrodo do contador completa o circuito.
mecanismo de DSSCsEdit
os seguintes passos convertem em fótons DSSC convencionais do tipo N (luz) para a corrente:
- o fóton incidente é absorvido pelo fotossensibilizador (por exemplo. Complexo Ru) adsorvido na superfície TiO2.
- os fotossensibilizadores estão excitados do (s) Estado (s) do solo para o estado excitado (s∗). Os elétrons excitados são injetados na banda de condução do eletrodo TiO2. Isto resulta na oxidação do fotossensibilizador (s+).
S + hν → S∗(1)
S ⋅ → TiO 2 S + + e − {\displaystyle {\ce {S^{.}->{S+}+e-}}}(2)
- os elétrons injetados na banda de condução de TiO2 são transportados entre nanopartículas TiO2 com difusão em direção ao contato posterior (TCO). E os electrões finalmente chegam ao eléctrodo do contador através do circuito.
- o fotossensibilizador oxidado (s+) aceita elétrons do mediador redox, tipicamente I− Ion redox mediador, levando à regeneração do (s) Estado (s) do solo, e dois I–Ions são oxidados em iodo elementar que reage com I− ao estado oxidado, I3−.
S+ + e− → S(3)
iões.
I3− + 2 e− → 3 I−
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A eficiência de um DSSC depende de quatro níveis de energia do componente: o estado excitado (aproximadamente LUMO) e o estado fundamental (HOMO) do fotossensibilizador, o nível de Fermi do eletrodo de TiO2 e o potencial redox do mediador (I−/I3−) no eletrólito.na DSSC, os eletrodos consistiam em nanopartículas de semicondutores sinterizados, principalmente TiO2 ou ZnO. Estes DSSCs de nanopartículas dependem da difusão limitada por armadilha através das nanopartículas de semicondutores para o transporte de elétrons. Isso limita a eficiência do dispositivo, uma vez que é um mecanismo de transporte lento. A recombinação é mais provável de ocorrer em comprimentos de onda mais longos da radiação. Além disso, a sinterização de nanopartículas requer uma temperatura elevada de cerca de 450 °C, O que restringe a fabricação destas células a substratos sólidos robustos e rígidos. Provou-se que existe um aumento da eficiência da DSSC, se o eletrodo sinterizado de nanopartículas for substituído por um eletrodo especialmente concebido, possuindo uma morfologia exótica semelhante a um nanoplante.
OperationEdit
in a conventional N-type DSSC, sunlight enters the cell through the transparent SnO2:F top contact, striking the dye on the surface of the TiO2. Fótons marcando o corante com energia suficiente para ser absorvido criam um estado excitado do corante, a partir do qual um elétron pode ser “injetado” diretamente na banda de condução do TiO2. De lá ele se move por difusão (como resultado de um gradiente de concentração de elétrons) para o ânodo claro no topo.entretanto, a molécula de Corante perdeu um electrão e a molécula decompor-se-á se outro electrão não for fornecido. O corante retira um de iodeto em eletrólito abaixo do TiO2, oxidando-o em triiodeto. Esta reação ocorre muito rapidamente em comparação com o tempo que leva para o elétron injetado se recombinar com a molécula de Corante oxidado, impedindo esta reação de recombinação que efetivamente faria curto-circuito na célula solar.
O triiodeto então recupera seu elétron faltante por difusão Mecânica para o fundo da célula, onde o eletrodo de contador re-introduz os elétrons depois de fluir através do circuito externo.
Eficiencyedit
várias medidas importantes são usadas para caracterizar as células solares. O mais óbvio é a quantidade total de energia elétrica produzida para uma determinada quantidade de energia solar brilhando sobre a célula. Expresso em percentagem, isto é conhecido como a eficiência de conversão solar. A energia elétrica é o produto da corrente e tensão, por isso os valores máximos para estas medições também são importantes, Jsc e COV, respectivamente. Finalmente, para entender a física subjacente, a “eficiência quântica” é usada para comparar a chance de um fóton (de uma determinada energia) criar um elétron.em termos de eficiência quântica, DSSCs são extremamente eficientes. Devido à sua” profundidade ” na nanoestrutura, há uma grande chance de que um fóton seja absorvido, e os corantes são muito eficazes em convertê-los em elétrons. A maioria das pequenas perdas que existem no DSSC são devidas a perdas de condução no TiO2 e no eletrodo claro, ou perdas ópticas no eletrodo frontal. A eficiência quântica global para a luz verde é de cerca de 90%, com os 10%” perdidos ” sendo em grande parte responsáveis pelas perdas ópticas no eletrodo superior. A eficiência quântica dos projetos tradicionais varia, dependendo de sua espessura, mas são aproximadamente o mesmo que o DSSC.
Em teoria, a tensão máxima gerada por uma célula é simplesmente a diferença entre o (quase-)nível de Fermi do TiO2 e o potencial redox do eletrólito, cerca de 0,7 V, sob condições de iluminação solar (Voc). Isto é, se um DSSC iluminado é conectado a um voltímetro em um “circuito aberto”, ele iria ler cerca de 0,7 V. em termos de tensão, DSSCs oferecem um pouco mais de Voc do que silício, cerca de 0,7 V em comparação com 0,6 V. Esta é uma diferença relativamente pequena, então as diferenças do mundo real são dominadas pela produção atual, Jsc.embora o corante seja altamente eficiente na conversão de fótons absorvidos em elétrons livres no TiO2, apenas fótons absorvidos pelo corante produzem corrente. A taxa de absorção de fótons depende do espectro de absorção da camada TiO2 sensibilizada e do espectro de fluxo solar. A sobreposição entre estes dois espectros determina o máximo possível de fotocorrentes. Tipicamente, moléculas de Corante usadas geralmente têm menor absorção na parte vermelha do espectro em comparação com o silício, o que significa que menos fótons na luz solar são utilizáveis para a geração atual. Estes fatores limitam a corrente gerada por um DSSC, para comparação, uma célula solar tradicional baseada em silício oferece cerca de 35 mA/cm2, enquanto que os DSSCs atuais oferecem cerca de 20 mA/cm2.
a eficiência global de conversão de pico de potência para DSSCs correntes é de cerca de 11%. O recorde actual de protótipos é de 15%.
DegradationEdit
DSSCs degradam-se quando expostos a radiação ultravioleta. In 2014 air infiltration of the commonly-used amorphous Spiro-MeOTAD hole-transport layer was identified as the primary cause of the degradation, rather than oxidation. Os danos poderiam ser evitados através da adição de uma barreira adequada.a camada barreira pode incluir estabilizadores das UV e / ou cromóforos luminescentes absorventes das UV (que emitem em comprimentos de onda mais longos que podem ser reabsorvidos pelo corante) e antioxidantes para proteger e melhorar a eficiência da célula.
AdvantagesEdit
DSSCs are currently the most efficient third-generation (2005 Basic Research Solar Energy Utilization 16) solar technology available. Outras tecnologias de filmes finos são tipicamente entre 5% e 13%, e painéis comerciais tradicionais de baixo custo de silício operam entre 14% e 17%. Isto torna a DSSCs atraente como um substituto para as tecnologias existentes em aplicações de “baixa densidade”, como coletores solares no telhado, onde a robustez mecânica e peso leve do coletor sem vidro é uma grande vantagem. Eles podem não ser tão atraentes para aplicações em larga escala onde células de maior custo de maior eficiência são mais viáveis, mas mesmo pequenos aumentos na eficiência de conversão de DSSC podem torná-los adequados para alguns desses papéis também.
há outra área em que os DSSCs são particularmente atraentes. O processo de injetar um elétron diretamente no TiO2 é qualitativamente diferente do que ocorre em uma célula tradicional, onde o elétron é “promovido” dentro do cristal original. Em teoria, dadas as baixas taxas de produção, o elétron de alta energia no silício poderia re-combinar com seu próprio buraco, dando um fóton (ou outra forma de energia) que não resulta em corrente sendo gerada. Embora este caso particular não possa ser comum, é bastante fácil para um elétron gerado por outro átomo combinar com um buraco deixado para trás em uma fotoexcitação anterior.
em comparação, o processo de injecção utilizado no DSSC não introduz um buraco no TiO2, apenas um electrão extra. Embora seja energeticamente possível para o elétron recombinar-se de volta para o corante, a taxa a que isso ocorre é bastante lenta em comparação com a taxa que o corante recupera um elétron do eletrólito circundante. A recombinação diretamente do TiO2 para espécies no eletrólito também é possível, embora, novamente, para dispositivos otimizados esta reação seja bastante lenta. Pelo contrário, a transferência electrónica do eléctrodo revestido de platina para espécies do electrólito é necessariamente muito rápida.como resultado desta “cinética diferencial” favorável, os DSSCs trabalham mesmo em condições de baixa luz. DSSCs são, portanto, capazes de trabalhar sob céus nublados e luz solar não direta, enquanto projetos tradicionais sofreriam um “recorte” em algum limite inferior de iluminação, quando a mobilidade do porta-cargas é baixa e a recombinação se torna um problema importante. O corte é tão baixo que até estão sendo propostos para uso interno, coletando energia para pequenos dispositivos das luzes da casa.
uma vantagem prática que os DSSCs compartilham com a maioria das tecnologias de filme fino, é que a robustez mecânica da célula indiretamente leva a maiores eficiências a temperaturas mais altas. Em qualquer semicondutor, o aumento da temperatura irá promover alguns elétrons na banda de condução “mecanicamente”. A fragilidade das células de silício tradicionais exige que elas sejam protegidas dos elementos, tipicamente fechando-as em uma caixa de vidro semelhante a uma estufa, com um suporte de metal para a resistência. Tais sistemas sofrem reduções perceptíveis na eficiência à medida que as células aquecem internamente. DSSCs são normalmente construídos com apenas uma fina camada de plástico condutor na camada frontal, permitindo-lhes irradiar calor muito mais fácil, e, portanto, operar a temperaturas internas mais baixas.
Desvantagesedit
a principal desvantagem para o projeto DSSC é o uso do eletrólito líquido, que tem problemas de estabilidade de temperatura. A baixas temperaturas o eletrólito pode congelar, parando a produção de energia e potencialmente levando a danos físicos. Temperaturas mais elevadas fazem com que o líquido se expanda, tornando a selagem dos painéis um problema grave. Outra desvantagem é que rutênio (corante), platina (catalisador) e vidro condutor ou plástico (contato) são necessários para produzir um DSSC. Uma terceira grande desvantagem é que a solução eletrolítica contém compostos orgânicos voláteis( ou COV), solventes que devem ser cuidadosamente selados como eles são perigosos para a saúde humana e o ambiente. Isto, juntamente com o facto de os solventes permearem plásticos, impediu a aplicação em grande escala no exterior e a integração na estrutura flexível.a substituição do eletrólito líquido por um sólido tem sido um importante campo de pesquisa em curso. Experimentos recentes usando sais fundidos solidificados têm mostrado alguma promessa, mas atualmente sofrem de maior degradação durante a operação contínua, e não são flexíveis.Fotocátodos e células tandem edit
células solares sensibilizadas funcionam como fotoanódicos (n-DSC), onde a fotocorrentia resulta da injecção de electrões pelo corante sensibilizado. Os fotocátodos (p-DSCs) funcionam em modo inverso ao n-DSC convencional, em que a excitação do corante é seguida de uma rápida transferência electrónica de um semicondutor do tipo p para o corante (injecção de furos sensibilizados pelo corante, em vez de injecção electrónica). Tais p-DSCs e n-DSCs podem ser combinados para construir células solares tandem (pn-DSCs) e a eficiência teórica de DSCs tandem está bem além da DSCs de junção única.
uma célula tandem padrão consiste de uma n-DSC e uma p-DSC em uma configuração simples sanduíche com uma camada eletrolítica intermediária. n-DSC e p-DSC são conectados em série, o que implica que a fotocorrente resultante será controlada pelo fotoelectrode mais fraco, enquanto as fotovoltaicas são aditivos. Assim, a correspondência fotocurrent é muito importante para a construção de PN-DSCs tandem altamente eficientes. No entanto, ao contrário dos N-DSCs, a recombinação de carga rápida após a injecção de furos sensibilizados por corantes geralmente resultou em baixas fotocurrentes em p-DSC e, assim, prejudicou a eficiência do dispositivo Global.os investigadores descobriram que o uso de corantes que incluem uma perilenemonoimida (PMI) como aceitante e um oligotiofeno acoplado à trifenilamina como dador melhora consideravelmente o desempenho da P-DSC, reduzindo a taxa de recombinação da carga após injecção de furos sensibilizados por corantes. Os pesquisadores construíram um dispositivo DSC tandem com NiO no lado p-DSC e TiO2 no lado n-DSC. A correspondência de fotocorrentas foi conseguida através do ajuste de espessuras de película Nio2 e TiO2 para controlar as absorções ópticas e, portanto, coincidir com as fotocorrentes de ambos os eléctrodos. A eficiência de conversão de energia do dispositivo é de 1,91%, o que excede a eficiência de seus componentes individuais, mas ainda é muito menor do que a dos dispositivos n-DSC de alto desempenho (6% -11%). Os resultados ainda são promissores, uma vez que o DSC tandem era em si rudimentar. A melhoria dramática no desempenho em p-DSC pode eventualmente levar a dispositivos tandem com muito maior eficiência do que os n-DSCs solitários.como mencionado anteriormente, o uso de um eletrólito de estado sólido tem várias vantagens sobre um sistema líquido (como não vazamento e transporte de carga mais rápido), que também foi realizado para fotocátodos sensibilizados por corantes. Usando materiais de transporte de elétrons como PCBM, TiO2 e ZnO em vez do eletrólito convencional redox par, pesquisadores conseguiram fabricar p-dscs de Estado Sólido (p-ssDSCs), visando para o estado sólido tandem corante sensibilizado células solares, que têm o potencial de alcançar muito mais fotovoltaicos do que um dispositivo tandem líquido.