Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

Célula solar sensibilizada con colorante

Una selección de células solares sensibilizadas con colorantes Una celda solar sensibilizada por colorante ( DSSC , DSC , DYSC [ 1 ] o celda de Grätzel ) es una celda solar de b...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita

Una selección de células solares sensibilizadas con colorantes

Una celda solar sensibilizada por colorante ( DSSC , DSC , DYSC [ 1 ] o celda de Grätzel ) es una celda solar de bajo costo perteneciente al grupo de celdas solares de película delgada . [ 2 ] Se basa en un semiconductor formado entre un ánodo fotosensibilizado y un electrolito , un sistema fotoelectroquímico . La versión moderna de una celda solar de colorante, también conocida como celda de Grätzel, fue coinventada originalmente en 1988 por Brian O'Regan y Michael Grätzel en la UC Berkeley [ 3 ] y este trabajo fue desarrollado posteriormente por los científicos mencionados en la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) hasta la publicación de la primera DSSC de alta eficiencia en 1991. [ 4 ] Michael Grätzel recibió el Premio de Tecnología del Milenio 2010 por esta invención. [ 5 ]

La DSSC tiene varias características atractivas; es sencilla de fabricar utilizando técnicas convencionales de impresión en rollo, es semiflexible y semitransparente, lo que ofrece una variedad de usos no aplicables a los sistemas basados ​​en vidrio, y la mayoría de los materiales utilizados son de bajo costo. En la práctica, ha resultado difícil eliminar varios materiales costosos, en particular platino y rutenio , y el electrolito líquido presenta un serio desafío para hacer una celda adecuada para su uso en cualquier condición climática. Aunque su eficiencia de conversión es menor que la de las mejores celdas de película delgada , en teoría su relación precio/rendimiento debería ser lo suficientemente buena como para permitirles competir con la generación de electricidad a partir de combustibles fósiles al lograr la paridad de red . Las aplicaciones comerciales, que se retrasaron debido a problemas de estabilidad química, [ 6 ] habían sido pronosticadas en la Hoja de Ruta Fotovoltaica de la Unión Europea para contribuir significativamente a la generación de electricidad renovable para 2020.

Tecnología actual: células solares semiconductoras

En un semiconductor de estado sólido tradicional , una celda solar se compone de dos cristales dopados: uno dopado con impurezas de tipo n ( semiconductor de tipo n ), que añaden electrones libres adicionales a la banda de conducción , y otro dopado con impurezas de tipo p ( semiconductor de tipo p ), que añaden huecos de electrones adicionales . Al ponerse en contacto, algunos de los electrones de la porción de tipo n fluyen hacia la de tipo p para "rellenar" los electrones faltantes, también conocidos como huecos de electrones. Finalmente, suficientes electrones cruzarán la interfaz para igualar los niveles de Fermi de ambos materiales. El resultado es una región en la interfaz, la unión p-n , donde los portadores de carga se agotan y/o se acumulan a cada lado de la interfaz. En el silicio, esta transferencia de electrones produce una barrera de potencial de aproximadamente 0,6 a 0,7 eV. [ 7 ]

Cuando se exponen a la luz solar, los fotones que emiten pueden excitar los electrones en el lado de tipo p del semiconductor, un proceso conocido como fotoexcitación . En el silicio, la luz solar puede proporcionar suficiente energía para expulsar un electrón de la banda de valencia de menor energía a la banda de conducción de mayor energía . Como su nombre lo indica, los electrones en la banda de conducción son libres de moverse por el silicio. Cuando se aplica una carga a través de la celda en su conjunto, estos electrones fluyen desde el lado de tipo p hacia el lado de tipo n, pierden energía al moverse a través del circuito externo y luego regresan al material de tipo p, donde pueden recombinarse nuevamente con el hueco de la banda de valencia que dejaron atrás. De esta manera, la luz solar crea una corriente eléctrica. [ 7 ]

En cualquier semiconductor, la banda prohibida implica que solo los fotones con esa cantidad de energía, o más, contribuirán a generar una corriente. En el caso del silicio, la mayor parte de la luz visible, desde el rojo hasta el violeta, tiene la energía suficiente para que esto ocurra. Desafortunadamente, los fotones de mayor energía, los del extremo azul y violeta del espectro, tienen energía más que suficiente para atravesar la banda prohibida; si bien parte de esta energía adicional se transfiere a los electrones, la mayor parte se disipa en forma de calor. Otro problema es que, para tener una probabilidad razonable de capturar un fotón, la capa de tipo n debe ser bastante gruesa. Esto también aumenta la probabilidad de que un electrón recién emitido se encuentre con un hueco previamente creado en el material antes de alcanzar la unión p-n. Estos efectos producen un límite superior en la eficiencia de las células solares de silicio, actualmente alrededor del 20% para los módulos comunes y hasta el 27,1% [ 8 ] para las mejores células de laboratorio (33,16% es la eficiencia máxima teórica para las células solares de banda prohibida única, [ 9 ] ver límite de Shockley-Queisser ).

El principal problema del enfoque convencional es, sin duda, el coste. Las células solares requieren una capa relativamente gruesa de silicio dopado para lograr tasas de captura de fotones razonables, y el procesamiento del silicio es costoso. En la última década se han explorado diversas estrategias para reducir este coste, especialmente las de película delgada , pero hasta la fecha su aplicación ha sido limitada debido a diversos problemas prácticos. Otra línea de investigación se ha centrado en mejorar drásticamente la eficiencia mediante el enfoque de unión múltiple , si bien estas células son muy costosas y solo aptas para grandes instalaciones comerciales. En términos generales, los tipos de células adecuadas para su instalación en tejados no han experimentado cambios significativos en su eficiencia, aunque los costes han disminuido ligeramente debido al aumento de la oferta.

Celdas solares sensibilizadas con colorantes

Tipo de célula fabricada en la EPFL por Grätzel y O'Regan.
Funcionamiento de una celda de Grätzel

A finales de la década de 1960 se descubrió que los colorantes orgánicos iluminados pueden generar electricidad en electrodos de óxido en celdas electroquímicas. [ 10 ] En un esfuerzo por comprender y simular los procesos primarios de la fotosíntesis, el fenómeno se estudió en la Universidad de California en Berkeley con clorofila extraída de espinacas (enfoque biomimético o biónico). [ 11 ] Sobre la base de estos experimentos, se demostró y discutió en 1972 la generación de energía eléctrica mediante el principio de la celda solar de sensibilización de colorante (DSSC). [ 12 ] La inestabilidad de la celda solar de colorante se identificó como un desafío principal. Su eficiencia pudo, durante las dos décadas siguientes, mejorarse optimizando la porosidad del electrodo preparado a partir de polvo fino de óxido, pero la inestabilidad siguió siendo un problema. [ 13 ]

Una DSSC moderna de tipo n, el tipo más común, está compuesta por una capa porosa de nanopartículas de dióxido de titanio , recubierta con un colorante molecular que absorbe la luz solar, como la clorofila en las hojas verdes. El dióxido de titanio se encuentra sumergido en una solución electrolítica , sobre la cual se ubica un catalizador a base de platino . Al igual que en una batería alcalina convencional , un ánodo (el dióxido de titanio) y un cátodo (el platino) se sitúan a ambos lados de un conductor líquido (el electrolito).

El principio de funcionamiento de las DSSC de tipo n se puede resumir en unos pocos pasos básicos. La luz solar atraviesa el electrodo transparente y llega a la capa de tinte, donde excita los electrones que fluyen hacia la banda de conducción del semiconductor de tipo n , generalmente dióxido de titanio. Los electrones del dióxido de titanio fluyen hacia el electrodo transparente, donde se recogen para alimentar una carga. Tras circular por el circuito externo, se reintroducen en la celda mediante un electrodo metálico en la parte posterior, también conocido como contraelectrodo, y fluyen hacia el electrolito. El electrolito transporta los electrones de vuelta a las moléculas de tinte y regenera el tinte oxidado.

El principio de funcionamiento básico descrito anteriormente es similar en una DSSC de tipo p, donde el semiconductor sensibilizado por el colorante es de naturaleza de tipo p (típicamente óxido de níquel). Sin embargo, en lugar de inyectar un electrón en el semiconductor, en una DSSC de tipo p, un hueco fluye desde el colorante hacia la banda de valencia del semiconductor de tipo p . [ 14 ]

Las células solares sensibilizadas por colorante separan las dos funciones que desempeña el silicio en un diseño de célula tradicional. Normalmente, el silicio actúa como fuente de fotoelectrones y, a la vez, proporciona el campo eléctrico necesario para separar las cargas y generar una corriente. En la célula solar sensibilizada por colorante, la mayor parte del semiconductor se utiliza exclusivamente para el transporte de carga, mientras que los fotoelectrones provienen de un colorante fotosensible independiente . La separación de carga se produce en las superficies entre el colorante, el semiconductor y el electrolito.

Las moléculas de tinte son muy pequeñas (del tamaño de los nanómetros), por lo que, para capturar una cantidad razonable de luz incidente, la capa de moléculas de tinte debe ser bastante gruesa, mucho más gruesa que las propias moléculas. Para solucionar este problema, se utiliza un nanomaterial como soporte para albergar un gran número de moléculas de tinte en una matriz tridimensional, aumentando así la cantidad de moléculas por cada área superficial de la célula. En los diseños actuales, este soporte lo proporciona el material semiconductor, que cumple una doble función.

Materiales del contraelectrodo

Uno de los componentes más importantes de las DSSC es el contraelectrodo. Como se mencionó anteriormente, el contraelectrodo se encarga de recolectar electrones del circuito externo y reintroducirlos en el electrolito para catalizar la reacción de reducción del mediador redox , generalmente de I₃⁻ a I⁻ . Por lo tanto, es importante que el contraelectrodo no solo tenga alta conductividad electrónica y capacidad de difusión , sino también estabilidad electroquímica, alta actividad catalítica y una estructura de banda adecuada . El material de contraelectrodo más común utilizado actualmente en las DSSC es el platino, pero su uso no es sostenible debido a sus altos costos y la escasez de recursos. Por ello, se ha centrado mucha investigación en el descubrimiento de nuevos materiales híbridos y dopados que puedan reemplazar al platino con un rendimiento electrocatalítico comparable o superior. Una de estas categorías, ampliamente estudiada, incluye los compuestos de calcógeno de cobalto , níquel y hierro (CCNI), en particular los efectos de la morfología, la estequiometría y la sinergia en el rendimiento resultante. Se ha descubierto que, además de la composición elemental del material, estos tres parámetros influyen considerablemente en la eficiencia del contraelectrodo resultante. Por supuesto, actualmente se están investigando diversos materiales, como carbonos altamente mesoporosos, [ 15 ] materiales a base de estaño , [ 16 ] nanoestructuras de oro , [ 17 ] así como nanocristales a base de plomo. [ 18 ] Sin embargo, la siguiente sección recopila diversos esfuerzos de investigación en curso relacionados específicamente con CCNI para optimizar el rendimiento del contraelectrodo de DSSC.

Morfología

Incluso con la misma composición, la morfología de las nanopartículas que conforman el contraelectrodo desempeña un papel fundamental en la determinación de la eficiencia fotovoltaica general. Dado que el potencial electrocatalítico de un material depende en gran medida de la superficie disponible para facilitar la difusión y reducción de las especies redox, se han realizado numerosos esfuerzos de investigación para comprender y optimizar la morfología de las nanoestructuras para los contraelectrodos de las células solares sensibilizadas por colorante (DSSC).

En 2017, Huang et al. utilizaron varios surfactantes en una síntesis hidrotermal asistida por microemulsión de cristales compuestos de CoSe₂ /CoSeO₃ para producir nanocubos, nanobarras y nanopartículas . [ 19 ] La comparación de estas tres morfologías reveló que las nanopartículas compuestas híbridas, debido a tener la mayor área superficial electroactiva, tenían la mayor eficiencia de conversión de potencia de 9,27 %, incluso más alta que su contraparte de platino. No solo eso, la morfología de nanopartícula mostró la mayor densidad de corriente pico y la menor brecha de potencial entre los potenciales pico anódico y catódico, lo que implica la mejor capacidad electrocatalítica.

Con un estudio similar pero con un sistema diferente, Du et al. en 2017 determinaron que el óxido ternario de NiCo₂O₄ tenía la mayor eficiencia de conversión de potencia y capacidad electrocatalítica como nanoflores en comparación con nanobarras o nanoláminas. [ 20 ] Du et al. se dieron cuenta de que explorar varios mecanismos de crecimiento que ayudan a explotar las áreas superficiales activas más grandes de las nanoflores puede brindar una oportunidad para extender las aplicaciones de DSSC a otros campos.

Estequiometría

Por supuesto, la composición del material que se utiliza como contraelectrodo es extremadamente importante para crear un dispositivo fotovoltaico funcional , ya que las bandas de energía de valencia y de conducción deben superponerse con las de las especies del electrolito redox para permitir un intercambio de electrones eficiente.

En 2018, Jin et al. prepararon películas de seleniuro de níquel-cobalto ternario (Ni x Co y Se) en varias proporciones estequiométricas de níquel y cobalto para comprender su impacto en el rendimiento de la celda resultante. [ 21 ] Se sabía que las aleaciones bimetálicas de níquel y cobalto tenían una conducción electrónica y estabilidad excepcionales, por lo que optimizar su estequiometría produciría idealmente un rendimiento de celda más eficiente y estable que sus contrapartes monometálicas. Tal es el resultado que encontraron Jin et al. , ya que Ni 0.12 Co 0.80 Se logró una eficiencia de conversión de potencia superior (8.61%), una impedancia de transferencia de carga menor y una capacidad electrocatalítica mayor que sus contrapartes de platino y seleniuro binario.

Sinergia

Un último ámbito de estudio activo es la sinergia de diferentes materiales para potenciar un rendimiento electroactivo superior. Ya sea mediante diversos materiales de transporte de carga, especies electroquímicas o morfologías, el aprovechamiento de la relación sinérgica entre diferentes materiales ha abierto el camino a nuevos materiales para contraelectrodos.

En 2016, Lu et al. mezclaron micropartículas de sulfuro de níquel-cobalto con nanoflakes de óxido de grafeno reducido (rGO) para crear el contraelectrodo. [ 22 ] Lu et al. descubrieron no solo que el rGO actuaba como cocatalizador acelerando la reducción de triyoduro, sino también que las micropartículas y el rGO tenían una interacción sinérgica que disminuía la resistencia a la transferencia de carga del sistema en general. Aunque la eficiencia de este sistema fue ligeramente inferior a la de su análogo de platino (eficiencia del sistema NCS/rGO: 8,96%; eficiencia del sistema Pt: 9,11%), proporcionó una plataforma sobre la que se puede llevar a cabo una investigación más profunda.

Construcción

En el caso del diseño original de Grätzel y O'Regan , la celda tiene 3 partes principales. En la parte superior hay un ánodo transparente hecho de dióxido de estaño dopado con fluoruro (SnO 2 :F) depositado en la parte posterior de una placa (típicamente de vidrio). En la parte posterior de esta placa conductora hay una capa delgada de dióxido de titanio (TiO 2 ), que forma una estructura altamente porosa con un área superficial extremadamente grande. El (TiO 2 ) está unido químicamente por un proceso llamado sinterización . El TiO 2 solo absorbe una pequeña fracción de los fotones solares (los del UV). [ 23 ] Luego, la placa se sumerge en una mezcla de un colorante fotosensible de rutenio - polipiridilo (también llamado sensibilizador molecular [ 23 ] ) y un solvente . Después de sumergir la película en la solución del colorante, una capa delgada del colorante queda unida covalentemente a la superficie del TiO 2 . El enlace puede ser un enlace éster, quelante o un enlace puente bidentado.

Luego se fabrica una placa separada con una capa delgada de electrolito de yoduro extendida sobre una lámina conductora, generalmente de platino . Las dos placas se unen y sellan para evitar fugas del electrolito. La construcción es lo suficientemente simple como para que existan kits de bricolaje disponibles para construirlas manualmente. [ 24 ] Aunque utilizan varios materiales "avanzados", estos son económicos en comparación con el silicio necesario para las celdas normales porque no requieren costosos pasos de fabricación. El TiO₂ , por ejemplo, ya se usa ampliamente como base de pintura.

Uno de los dispositivos DSSC eficientes utiliza un colorante molecular a base de rutenio, por ejemplo [Ru(4,4'-dicarboxi-2,2'-bipiridina) 2 (NCS) 2 ] (N3), que se une a un fotoánodo mediante grupos carboxilato. El fotoánodo consiste en una  película de 12 μm de espesor de nanopartículas transparentes  de TiO 2 de 10–20 nm de diámetro , cubierta con una  película de 4 μm de espesor de  partículas mucho más grandes (400 nm de diámetro) que dispersan los fotones de vuelta a la película transparente. El colorante excitado inyecta rápidamente un electrón en el TiO 2 después de la absorción de luz. El electrón inyectado se difunde a través de la red de partículas sinterizadas para ser recolectado en el electrodo frontal de óxido conductor transparente (TCO), mientras que el colorante se regenera mediante reducción por un mediador redox, I 3 − /I − , disuelto en una solución. La difusión de la forma oxidada del mediador al contraelectrodo completa el circuito. [ 25 ]

Mecanismo de las DSSC

En una celda solar sensibilizada por colorante (DSSC) de tipo n convencional, los siguientes pasos convierten los fotones (luz) en corriente eléctrica:

  1. El fotón incidente es absorbido por el fotosensibilizador (por ejemplo, un complejo de Ru) adsorbido en la superficie de TiO 2 .
  2. Los fotosensibilizadores se excitan desde el estado fundamental (S) al estado excitado (S * ). Los electrones excitados se inyectan en la banda de conducción del electrodo de TiO₂ . Esto da como resultado la oxidación del fotosensibilizador (S⁺ ) .
  3. Los electrones inyectados en la banda de conducción del TiO₂ se transportan entre las nanopartículas de TiO₂ mediante difusión hacia el contacto posterior (TCO). Finalmente, los electrones alcanzan el contraelectrodo a través del circuito.
  4. El fotosensibilizador oxidado (S + ) acepta electrones del mediador redox, típicamente el mediador redox del ion I − , lo que lleva a la regeneración del estado fundamental (S), y dos iones I − -Iones se oxidan a yodo elemental que reacciona con I − al estado oxidado, I 3 − .
  5. El mediador redox oxidado, I 3 − , se difunde hacia el contraelectrodo y luego se reduce a iones I − .

La eficiencia de una DSSC depende de cuatro niveles de energía del componente: el estado excitado (aproximadamente LUMO ) y el estado fundamental (HOMO) del fotosensibilizador, el nivel de Fermi del electrodo de TiO₂ y el potencial redox del mediador (I⁻ / I₃⁻ ) en el electrolito. [ 26 ]

Morfología similar a la de una nanoplanta

En las DSSC, los electrodos consisten en nanopartículas semiconductoras sinterizadas, principalmente TiO₂ o ZnO. Estas DSSC de nanopartículas dependen de la difusión limitada por trampas a través de las nanopartículas semiconductoras para el transporte de electrones. Esto limita la eficiencia del dispositivo, ya que es un mecanismo de transporte lento. La recombinación es más probable que ocurra a longitudes de onda de radiación más largas. Además, la sinterización de las nanopartículas requiere una temperatura elevada de aproximadamente 450  °C, lo que restringe la fabricación de estas celdas a sustratos sólidos robustos y rígidos. Se ha demostrado que existe un aumento en la eficiencia de las DSSC si el electrodo de nanopartículas sinterizadas se reemplaza por un electrodo especialmente diseñado que posee una morfología exótica similar a una "nanoplanta". [ 27 ]

Operación

En una DSSC de tipo n convencional, la luz solar entra en la celda a través del contacto superior transparente de SnO₂ : F, incidiendo sobre el colorante en la superficie del TiO₂ . Los fotones que inciden sobre el colorante con la energía suficiente para ser absorbidos crean un estado excitado del colorante, desde el cual se puede "inyectar" un electrón directamente en la banda de conducción del TiO₂ . Desde allí, se mueve por difusión (como resultado de un gradiente de concentración de electrones ) hacia el ánodo transparente superior.

Mientras tanto, la molécula de tinte ha perdido un electrón y se descompondrá si no recibe otro. El tinte extrae un electrón del yoduro presente en el electrolito debajo del TiO₂ , oxidándolo a triyoduro . Esta reacción ocurre con bastante rapidez en comparación con el tiempo que tarda el electrón inyectado en recombinarse con la molécula de tinte oxidada, evitando así esta recombinación que provocaría un cortocircuito en la celda solar.

A continuación, el triyoduro recupera el electrón que le falta mediante difusión mecánica hasta el fondo de la celda, donde el contraelectrodo reintroduce los electrones después de que hayan fluido a través del circuito externo.

Eficiencia

Para caracterizar las células solares se utilizan diversas medidas importantes. La más evidente es la cantidad total de energía eléctrica producida para una determinada cantidad de energía solar que incide sobre la célula. Expresada como porcentaje, se conoce como eficiencia de conversión solar . La energía eléctrica es el producto de la corriente y el voltaje, por lo que los valores máximos de estas mediciones, Jsc y Voc , respectivamente, también son importantes . Finalmente, para comprender la física subyacente, se utiliza la "eficiencia cuántica" para comparar la probabilidad de que un fotón (de una energía determinada) genere un electrón.

En términos de eficiencia cuántica , las DSSC son extremadamente eficientes. Debido a su "profundidad" en la nanoestructura, existe una alta probabilidad de que un fotón sea absorbido, y los colorantes son muy eficaces para convertirlos en electrones. La mayoría de las pequeñas pérdidas que existen en las DSSC se deben a pérdidas por conducción en el TiO₂ y el electrodo transparente, o a pérdidas ópticas en el electrodo frontal. La eficiencia cuántica global para la luz verde es de aproximadamente el 90%, y el 10% restante se debe principalmente a las pérdidas ópticas en el electrodo superior. La eficiencia cuántica de los diseños tradicionales varía según su grosor, pero es similar a la de las DSSC.

En teoría, el voltaje máximo generado por dicha celda es simplemente la diferencia entre el nivel ( cuasi ) Fermi del TiO2 y el potencial redox del electrolito, aproximadamente 0,7 V en condiciones de iluminación solar (V oc ). Es decir, si una DSSC iluminada se conecta a un voltímetro en "circuito abierto", marcaría aproximadamente 0,7 V. En términos de voltaje, las DSSC ofrecen un V oc ligeramente superior al del silicio, aproximadamente 0,7 V en comparación con 0,6 V. Esta es una diferencia bastante pequeña, por lo que las diferencias en el mundo real están dominadas por la producción de corriente, J sc .    

Aunque el colorante es altamente eficiente en la conversión de fotones absorbidos en electrones libres en el TiO₂ , solo los fotones absorbidos por el colorante producen corriente. La tasa de absorción de fotones depende del espectro de absorción de la capa de TiO₂ sensibilizada y del espectro del flujo solar. La superposición entre estos dos espectros determina la fotocorriente máxima posible. Las moléculas de colorante utilizadas habitualmente suelen tener una absorción menor en la parte roja del espectro en comparación con el silicio, lo que significa que una menor cantidad de fotones de la luz solar son utilizables para la generación de corriente. Estos factores limitan la corriente generada por una DSSC; a modo de comparación, una célula solar tradicional basada en silicio ofrece aproximadamente 35 mA / cm² , mientras que las DSSC actuales ofrecen aproximadamente 20 mA/ cm² .

La eficiencia de conversión de potencia máxima general para las DSSC actuales es de aproximadamente el 11%. [ 28 ] [ 29 ] El récord actual para prototipos se sitúa en el 15%. [ 30 ] [ 31 ]

Degradación

Las DSSC se degradan al exponerse a la luz. En 2014, se identificó la infiltración de aire en la capa de transporte de huecos amorfa Spiro-MeOTAD, comúnmente utilizada, como la causa principal de la degradación, en lugar de la oxidación. El daño podría evitarse mediante la adición de una barrera adecuada. [ 32 ]

La capa de barrera puede incluir estabilizadores UV y/o cromóforos luminiscentes que absorben UV (que emiten en longitudes de onda más largas que pueden ser reabsorbidas por el colorante) y antioxidantes para proteger y mejorar la eficiencia de la célula. [ 33 ]

Ventajas

Las DSSC son actualmente la tecnología solar de tercera generación más eficiente [ 34 ] (2005 Basic Research Solar Energy Utilization 16) disponible. Otras tecnologías de película delgada suelen estar entre el 5% y el 13%, y los paneles de silicio comerciales tradicionales de bajo costo operan entre el 14% y el 17%. Esto hace que las DSSC sean atractivas como reemplazo de las tecnologías existentes en aplicaciones de "baja densidad", como los colectores solares en azoteas, donde la robustez mecánica y el peso ligero del colector sin vidrio son una gran ventaja. Puede que no sean tan atractivas para implementaciones a gran escala donde las células de mayor costo y mayor eficiencia son más viables, pero incluso pequeños aumentos en la eficiencia de conversión de las DSSC podrían hacerlas adecuadas también para algunas de estas funciones.

Existe otro aspecto en el que las DSSC resultan particularmente atractivas. El proceso de inyectar un electrón directamente en el TiO₂ es cualitativamente diferente al que ocurre en una celda tradicional, donde el electrón se "promueve" dentro del cristal original. En teoría, dadas las bajas tasas de producción, el electrón de alta energía en el silicio podría recombinarse con su propio hueco, emitiendo un fotón (u otra forma de energía) que no genera corriente. Si bien este caso particular puede no ser común, es relativamente fácil que un electrón generado por otro átomo se combine con un hueco residual de una fotoexcitación previa.

En comparación, el proceso de inyección utilizado en la DSSC no introduce un hueco en el TiO₂ , solo un electrón adicional. Aunque energéticamente es posible que el electrón se recombine de nuevo en el colorante, la velocidad a la que esto ocurre es bastante lenta en comparación con la velocidad a la que el colorante recupera un electrón del electrolito circundante. La recombinación directa del TiO₂ a especies en el electrolito también es posible aunque, de nuevo, para dispositivos optimizados esta reacción es bastante lenta. [ 35 ] Por el contrario, la transferencia de electrones del electrodo recubierto de platino a especies en el electrolito es necesariamente muy rápida.

Como resultado de esta favorable "cinética diferencial", las DSSC funcionan incluso en condiciones de baja luminosidad. Por lo tanto, las DSSC pueden funcionar bajo cielos nublados y luz solar indirecta, mientras que los diseños tradicionales sufrirían una "desconexión" a un cierto límite inferior de iluminación, cuando la movilidad de los portadores de carga es baja y la recombinación se convierte en un problema importante. La desconexión es tan baja que incluso se están proponiendo para uso en interiores, recolectando energía para pequeños dispositivos a partir de las luces de la casa. [ 36 ]

Una ventaja práctica que las DSSC comparten con la mayoría de las tecnologías de película delgada es que la robustez mecánica de la celda conduce indirectamente a una mayor eficiencia a temperaturas más altas. En cualquier semiconductor, el aumento de la temperatura promueve mecánicamente la entrada de algunos electrones a la banda de conducción. La fragilidad de las celdas de silicio tradicionales requiere que se protejan de los elementos, generalmente encerrándolas en una caja de vidrio similar a un invernadero , con un soporte metálico para mayor resistencia. Estos sistemas sufren disminuciones notables en la eficiencia a medida que las celdas se calientan internamente. Las DSSC normalmente se construyen con solo una fina capa de plástico conductor en la capa frontal, lo que les permite disipar el calor con mucha más facilidad y, por lo tanto, operar a temperaturas internas más bajas.

Desventajas

La principal desventaja del diseño DSSC radica en el uso del electrolito líquido, que presenta problemas de estabilidad térmica. A bajas temperaturas, el electrolito puede congelarse, interrumpiendo la producción de energía y pudiendo causar daños físicos. A temperaturas más elevadas, el líquido se expande, lo que dificulta considerablemente el sellado de los paneles. Otra desventaja es la necesidad de utilizar rutenio (colorante), platino (catalizador) y vidrio o plástico conductor (contacto), materiales costosos, para la fabricación de una DSSC. Un tercer inconveniente importante es que la solución electrolítica contiene compuestos orgánicos volátiles (COV) , disolventes que deben sellarse cuidadosamente, ya que son perjudiciales para la salud humana y el medio ambiente. Esto, sumado al hecho de que los disolventes penetran en los plásticos, ha impedido su aplicación a gran escala en exteriores y su integración en estructuras flexibles. [ 37 ]

La sustitución del electrolito líquido por uno sólido ha sido un importante campo de investigación en curso. Experimentos recientes con sales fundidas solidificadas han mostrado cierto potencial, pero actualmente sufren una mayor degradación durante el funcionamiento continuo y no son flexibles. [ 38 ]

Fotocátodos y células en tándem

Las células solares sensibilizadas por colorante (n-DSC) funcionan como fotoánodos, donde la fotocorriente resulta de la inyección de electrones por el colorante. Los fotocátodos (p-DSC) funcionan en modo inverso al de las n-DSC convencionales, donde la excitación del colorante va seguida de una rápida transferencia de electrones desde un semiconductor de tipo p al colorante (inyección de huecos sensibilizada por colorante, en lugar de inyección de electrones). Estas p-DSC y n-DSC se pueden combinar para construir células solares en tándem (pn-DSC), y la eficiencia teórica de las DSC en tándem supera con creces la de las DSC de unión simple.

Una celda tándem estándar consta de una celda n-DSC y una celda p-DSC en una configuración tipo sándwich simple con una capa de electrolito intermedia. La celda n-DSC y la celda p-DSC están conectadas en serie, lo que implica que la fotocorriente resultante estará controlada por el fotoelectrodo más débil, mientras que los fotovoltajes son aditivos. Por lo tanto, la coincidencia de la fotocorriente es muy importante para la construcción de celdas pn-DSC tándem altamente eficientes. Sin embargo, a diferencia de las celdas n-DSC, la rápida recombinación de carga tras la inyección de huecos sensibilizada por colorante suele dar lugar a bajas fotocorrientes en la celda p-DSC y, por consiguiente, perjudica la eficiencia del dispositivo en su conjunto.

Investigadores han descubierto que el uso de colorantes que comprenden una perilenomonoimida (PMI) como aceptor y un oligotiofeno acoplado a trifenilamina como donador mejora notablemente el rendimiento de las p-DSC al reducir la tasa de recombinación de carga tras la inyección de huecos sensibilizada por el colorante. Los investigadores construyeron un dispositivo DSC en tándem con NiO en el lado p-DSC y TiO₂ en el lado n-DSC. La igualación de la fotocorriente se logró ajustando los espesores de las películas de NiO y TiO₂ para controlar las absorciones ópticas y, por lo tanto, igualar las fotocorrientes de ambos electrodos. La eficiencia de conversión de energía del dispositivo es del 1,91 %, que supera la eficiencia de sus componentes individuales, pero aún es mucho menor que la de los dispositivos n-DSC de alto rendimiento (6 %-11 %). Los resultados son prometedores, ya que la DSC en tándem era en sí misma rudimentaria. La mejora drástica en el rendimiento de las p-DSC puede conducir eventualmente a dispositivos en tándem con una eficiencia mucho mayor que las n-DSC individuales. [ 39 ]

Como se mencionó anteriormente, el uso de un electrolito de estado sólido tiene varias ventajas sobre un sistema líquido (como la ausencia de fugas y un transporte de carga más rápido), lo cual también se ha logrado para fotocátodos sensibilizados con colorante. Utilizando materiales de transporte de electrones como PCBM, [ 40 ] TiO2 [ 41 ] [ 42 ] y ZnO [ 43 ] en lugar del electrolito de par redox líquido convencional, los investigadores han logrado fabricar p-DSC de estado sólido (p-ssDSC), con el objetivo de obtener células solares sensibilizadas con colorante en tándem de estado sólido, que tienen el potencial de alcanzar fotovoltajes mucho mayores que un dispositivo en tándem líquido. [ 44 ]

Desarrollo

"Tinte negro", un complejo aniónico de rut-terpiridina.

Los colorantes utilizados en las primeras células experimentales (alrededor de 1995) eran sensibles solo en el extremo de alta frecuencia del espectro solar, en el UV y el azul. Rápidamente se introdujeron versiones más nuevas (alrededor de 1999) que tenían una respuesta de frecuencia mucho más amplia, en particular "triscarboxi-rutenio terpiridina" [Ru(4,4',4"-(COOH) 3 -terpy)(NCS) 3 ], que es eficiente hasta el rango de baja frecuencia de la luz roja e infrarroja . La amplia respuesta espectral da como resultado que el colorante tenga un color marrón oscuro casi negro, y se le conoce simplemente como "colorante negro". [ 45 ] Los colorantes tienen una excelente probabilidad de convertir un fotón en un electrón, originalmente alrededor del 80%, pero mejorando a una conversión casi perfecta en los colorantes más recientes, la eficiencia general es de alrededor del 90%, y el 10% "perdido" se explica en gran medida por las pérdidas ópticas en el electrodo superior.

Una célula solar debe ser capaz de producir electricidad durante al menos veinte años, sin una disminución significativa de la eficiencia ( vida útil ). El sistema de "tinte negro" se sometió a 50 millones de ciclos, el equivalente a diez años de exposición al sol en Suiza. No se observó una disminución perceptible del rendimiento. Sin embargo, el tinte es susceptible a la degradación en situaciones de alta luminosidad. Durante la última década se ha llevado a cabo un extenso programa de investigación para abordar estas preocupaciones. Los tintes más recientes incluyen el tetracianoborato de 1-etil-3-metilimidazolio [EMIB(CN) ₄ ], que es extremadamente estable a la luz y a la temperatura, el diselenio de cobre [Cu(In,GA)Se₂ ] , que ofrece mayores eficiencias de conversión, y otros con diversas propiedades para fines especiales.

Las células solares sensibilizadas por colorante (DSSC) aún se encuentran en las primeras etapas de su desarrollo. Es posible lograr mejoras en la eficiencia, y recientemente se ha comenzado a estudiarlas con mayor profundidad. Estas mejoras incluyen el uso de puntos cuánticos para la conversión de luz de mayor energía (mayor frecuencia) en múltiples electrones, el uso de electrolitos de estado sólido para una mejor respuesta a la temperatura y la modificación del dopaje del TiO₂ para que se ajuste mejor al electrolito utilizado.

Nuevos desarrollos

2003

Un grupo de investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) ha logrado aumentar la termoestabilidad de las células solares sensibilizadas por colorante (DSC) mediante el uso de un sensibilizador de rutenio anfifílico junto con un electrolito de gel cuasi-sólido. La estabilidad del dispositivo es comparable a la de una célula solar convencional inorgánica basada en silicio. La célula soportó el calentamiento durante 1000 horas a 80  °C.

El grupo preparó previamente un colorante anfifílico de rutenio Z-907 (cis-Ru(H 2 dcbpy)(dnbpy)(NCS) 2 , donde el ligando H 2 dcbpy es ácido 4,4′-dicarboxílico-2,2′-bipiridina y dnbpy es 4,4′-dinonil-2,2′-bipiridina) para aumentar la tolerancia del colorante al agua en los electrolitos. Además, el grupo también preparó un electrolito de gel cuasi-sólido con un electrolito líquido a base de 3-metoxipropionitrilo (MPN) que se solidificó mediante un polímero de flúor fotoquímicamente estable, polivinilidenofluoruro-co-hexafluoropropileno (PVDF-HFP).

El uso del colorante anfifílico Z-907 junto con el electrolito de gel polimérico en DSC logró una eficiencia de conversión de energía del 6,1 %. Más importante aún, el dispositivo se mantuvo estable bajo estrés térmico y exposición a la luz. La alta eficiencia de conversión de la celda se mantuvo después de calentarla durante 1000 h a 80  °C, conservando el 94 % de su valor inicial. Después de una prueba acelerada en un simulador solar durante 1000 h de exposición a la luz a 55  °C (100  mW cm⁻² ) , la eficiencia disminuyó menos del 5 % para las celdas recubiertas con una película de polímero absorbente de ultravioleta. Estos resultados se encuentran dentro del límite de las celdas solares de silicio inorgánicas tradicionales.

El rendimiento mejorado puede deberse a una disminución de la permeación del disolvente a través del sellador gracias a la aplicación del electrolito de gel polimérico. Este electrolito es casi sólido a temperatura ambiente y se convierte en un líquido viscoso (viscosidad: 4,34 mPa·s) a 80  °C, en comparación con el electrolito líquido tradicional (viscosidad: 0,91 mPa·s). La notable mejora en la estabilidad del dispositivo, tanto bajo estrés térmico como bajo exposición a la luz, no tiene precedentes en las células solares sensibilizadas por colorante (DSC), y cumple con los criterios de durabilidad aplicados a las células solares para uso en exteriores, lo que hace que estos dispositivos sean viables para aplicaciones prácticas. [ 46 ] [ 47 ]

2006

Se informaron las primeras células solares híbridas sólidas sensibilizadas con colorante que tuvieron éxito. [ 38 ]

Para mejorar el transporte de electrones en estas células solares, manteniendo al mismo tiempo la gran superficie necesaria para la adsorción del colorante, dos investigadores han diseñado morfologías de semiconductores alternativas, como matrices de nanocables y una combinación de nanocables y nanopartículas , para proporcionar una vía directa al electrodo a través de la banda de conducción del semiconductor. Estas estructuras podrían ofrecer un medio para mejorar la eficiencia cuántica de las DSSC en la región roja del espectro, donde su rendimiento es actualmente limitado. [ 48 ]

En agosto de 2006, para demostrar la robustez química y térmica de la celda solar de tetracianoborato de 1-etil-3-metilimidazolio, los investigadores sometieron los dispositivos a calentamiento a 80  °C en la oscuridad durante 1000 horas, seguido de exposición a la luz a 60  °C durante otras 1000 horas. Tras el calentamiento en oscuridad y la exposición a la luz, se mantuvo el 90 % de la eficiencia fotovoltaica inicial; esta fue la primera vez que se observó una estabilidad térmica tan excelente en un electrolito líquido con una eficiencia de conversión tan alta. A diferencia de las celdas solares de silicio , cuyo rendimiento disminuye con el aumento de la temperatura, los dispositivos de celdas solares sensibilizadas con colorante apenas se vieron afectados al aumentar la temperatura de funcionamiento desde la temperatura ambiente hasta los 60  °C.

2007

Wayne Campbell, de la Universidad Massey de Nueva Zelanda, ha experimentado con una amplia variedad de colorantes orgánicos basados ​​en porfirina . [ 49 ] En la naturaleza, la porfirina es el componente básico de las hemoproteínas , que incluyen la clorofila en las plantas y la hemoglobina en los animales. Informa una eficiencia del orden del 5,6 % utilizando estos colorantes de bajo costo. [ 50 ]

2008

Un artículo publicado en Nature Materials demostró eficiencias celulares del 8,2 % utilizando un nuevo electrolito redox líquido sin disolventes, compuesto por una mezcla fundida de tres sales, como alternativa al uso de disolventes orgánicos como solución electrolítica. Si bien la eficiencia con este electrolito es inferior al 11 % que se logra con las soluciones existentes a base de yodo, el equipo confía en que se puede mejorar. [ 51 ]

2009

Un grupo de investigadores del Instituto Tecnológico de Georgia (Georgia Tech) fabricó células solares sensibilizadas con colorante con una mayor superficie efectiva al envolver las células alrededor de una fibra óptica de cuarzo . [ 52 ] [ 53 ] Los investigadores retiraron el revestimiento de las fibras ópticas, cultivaron nanocables de óxido de zinc a lo largo de la superficie, los trataron con moléculas de colorante, rodearon las fibras con un electrolito y una película metálica que transporta los electrones fuera de la fibra. Las células son seis veces más eficientes que una célula de óxido de zinc con la misma superficie. [ 52 ] Los fotones rebotan dentro de la fibra a medida que viajan, por lo que hay más posibilidades de interactuar con la célula solar y producir más corriente. Estos dispositivos solo recogen la luz en los extremos, pero las futuras células de fibra podrían fabricarse para absorber la luz a lo largo de toda la longitud de la fibra, lo que requeriría un recubrimiento que sea conductor y transparente . [ 52 ] Max Shtein de la Universidad de Michigan dijo que un sistema de seguimiento solar no sería necesario para dichas células y que funcionarían en días nublados cuando la luz es difusa. [ 52 ]

2010

Investigadores de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne y de la Université du Québec à Montréal afirman haber superado dos de los principales problemas del DSC: [ 54 ]

  • Se han creado "nuevas moléculas" para el electrolito , dando como resultado un líquido o gel transparente y no corrosivo, que puede aumentar el fotovoltaje y mejorar el rendimiento y la estabilidad de la celda.
  • En el cátodo , el platino fue reemplazado por sulfuro de cobalto , que es mucho menos costoso, más eficiente, más estable y más fácil de producir en el laboratorio. [ 55 ]

2011

Dyesol y Tata Steel Europe anunciaron en junio el desarrollo del módulo fotovoltaico sensibilizado con colorante más grande del mundo, impreso sobre acero en una línea continua. [ 56 ]

En octubre , Dyesol y CSIRO anunciaron la finalización exitosa del segundo hito en el proyecto conjunto Dyesol/CSIRO. El director de Dyesol, Gordon Thompson, declaró: «Los materiales desarrollados durante esta colaboración conjunta tienen el potencial de impulsar significativamente la comercialización de DSC en diversas aplicaciones donde el rendimiento y la estabilidad son requisitos esenciales. En Dyesol estamos muy satisfechos con los avances en la química que permiten la producción de las moléculas objetivo. Esto abre el camino a la utilización comercial inmediata de estos nuevos materiales». [ 57 ]

Dyesol y Tata Steel Europe anunciaron en noviembre el desarrollo específico de acero solar BIPV competitivo en paridad de red que no requiere tarifas de alimentación subvencionadas por el gobierno. El sistema de techado "Solar Steel" de TATA-Dyesol se está instalando actualmente en el Centro de Envolventes de Edificios Sostenibles (SBEC) en Shotton, Gales. [ 58 ] [ 59 ]

2012

Investigadores de la Universidad Northwestern anunciaron [ 60 ] una solución a un problema fundamental de las DSSC: las dificultades para utilizar y contener el electrolito líquido y la consiguiente vida útil relativamente corta del dispositivo. Esto se logra mediante el uso de nanotecnología y la conversión del electrolito líquido a sólido. La eficiencia actual es aproximadamente la mitad que la de las celdas de silicio, pero estas celdas son ligeras y potencialmente mucho más económicas de producir.

2013

Durante los últimos 5-10 años, se ha desarrollado un nuevo tipo de DSSC: la celda solar de estado sólido sensibilizada por colorante. En este caso, el electrolito líquido se reemplaza por uno de varios materiales sólidos conductores de huecos. De 2009 a 2013, la eficiencia de las DSSC de estado sólido aumentó drásticamente del 4% al 15%. Michael Grätzel anunció la fabricación de DSSC de estado sólido con una eficiencia del 15,0%, alcanzada mediante un colorante de perovskita híbrida CH₃NH₃PbI₃ , depositado posteriormente a partir de soluciones separadas de CH₃NH₃I y PbI₂ . [ 31 ]

La primera integración arquitectónica se presentó en el Centro de Convenciones SwissTech de la EPFL , en colaboración con Romande Energie . La superficie total es de 300 m² , distribuidos en 1400 módulos de 50 cm x 35 cm. Diseñado por los artistas Daniel Schlaepfer y Catherine Bolle. [ 61 ]  

2018

Investigadores han estudiado el papel de las resonancias de plasmones superficiales presentes en nanobarras de oro en el rendimiento de las células solares sensibilizadas con colorante. Descubrieron que, al aumentar la concentración de nanobarras, la absorción de luz crecía linealmente; sin embargo, la extracción de carga también dependía de la concentración. Con una concentración optimizada, observaron que la eficiencia de conversión de potencia general mejoraba del 5,31 % al 8,86 % para las células solares sensibilizadas con el colorante Y123. [ 62 ]

Se demostró con éxito la síntesis de nanoestructuras unidimensionales de TiO₂ directamente sobre sustratos de vidrio de óxido de estaño dopado con flúor mediante una reacción solvotérmica de dos etapas. [ 63 ] Además, mediante un tratamiento con sol de TiO₂ , se mejoró el rendimiento de las celdas de nanocables duales de TiO₂ , alcanzando una eficiencia de conversión de potencia del 7,65 %. [ 64 ]

Se han descrito contraelectrodos a base de acero inoxidable para DSSC que reducen aún más el coste en comparación con los contraelectrodos convencionales a base de platino y son adecuados para aplicaciones en exteriores. [ 65 ] [ 66 ]

Investigadores de la EPFL han avanzado en las DSSC basadas en electrolitos redox de complejos de cobre , que han alcanzado una eficiencia del 13,1 % bajo condiciones estándar AM1.5G, 100  mW/cm² y una eficiencia récord del 32 % bajo 1000 lux de luz interior. [ 67 ] [ 68 ]

Investigadores de la Universidad de Uppsala han utilizado semiconductores de tipo n en lugar de electrolitos redox para fabricar células solares sensibilizadas con colorante de tipo p de estado sólido. [ 43 ] [ 42 ]

2021

El campo de la energía fotovoltaica integrada en edificios (BIPV) ha captado la atención de la comunidad científica debido a su potencial para reducir la contaminación y los costos de materiales y electricidad, así como para mejorar la estética de un edificio. [ 69 ] En los últimos años, los científicos han explorado formas de incorporar DSSC en aplicaciones BIPV, dado que los sistemas fotovoltaicos dominantes basados ​​en Si en el mercado tienen una presencia limitada en este campo debido a sus métodos de fabricación de alto consumo energético, su baja eficiencia de conversión bajo bajas intensidades de luz y sus elevados requisitos de mantenimiento. [ 70 ] En 2021, un grupo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Silesia en Polonia desarrolló una DSSC en la que el clásico contraelectrodo de vidrio fue reemplazado por un electrodo basado en una baldosa cerámica y una lámina de níquel. La motivación para este cambio fue que, a pesar de que los sustratos de vidrio han dado como resultado las eficiencias más altas registradas para las DSSC, para aplicaciones BIPV como tejas o fachadas de edificios, son esenciales materiales más ligeros y flexibles. Esto incluye películas plásticas, metales, acero o papel, que también pueden reducir los costos de fabricación. El equipo descubrió que la celda tenía una eficiencia del 4% (cercana a la de una celda solar con un contraelectrodo de vidrio), lo que demostró el potencial para crear DSSC integradas en edificios que sean estables y de bajo costo. [ 71 ]

2022

Los fotosensibilizadores son compuestos colorantes que absorben los fotones de la luz incidente y emiten electrones, produciendo una corriente eléctrica que puede utilizarse para alimentar un dispositivo o una unidad de almacenamiento. Según un nuevo estudio realizado por Michael Grätzel y su colega Anders Hagfeldt , los avances en fotosensibilizadores han dado como resultado una mejora sustancial en el rendimiento de las DSSC bajo condiciones de luz solar y ambiental. Otro factor clave para alcanzar récords de conversión de energía es la cosensibilización, debido a su capacidad de combinar colorantes que pueden absorber luz en un rango más amplio del espectro de luz. [ 72 ] La cosensibilización es un método de fabricación química que produce electrodos de DSSC que contienen dos o más colorantes diferentes con capacidades de absorción óptica complementarias , lo que permite el uso de toda la luz solar disponible. [ 73 ]

Investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) de Suiza descubrieron que la eficiencia de las células solares cosensibilizadas puede incrementarse mediante la preadsorción de una monocapa de un derivado de ácido hidroxámico sobre una superficie de dióxido de titanio mesoporoso nanocristalino, que funciona como mecanismo de transporte de electrones del electrodo. Las dos moléculas fotosensibilizadoras utilizadas en el estudio fueron el colorante orgánico SL9, que actuó como captador principal de luz de longitud de onda larga, y el colorante SL10, que proporcionó un pico de absorción adicional que compensa la ineficiente captación de luz azul del SL9. Se observó que la adición de esta capa de ácido hidroxámico mejoró el empaquetamiento y el ordenamiento molecular de la capa de colorante. Esto ralentizó la adsorción de los sensibilizadores y aumentó su rendimiento cuántico de fluorescencia , mejorando la eficiencia de conversión de energía de la célula. [ 74 ]

La DSSC desarrollada por el equipo mostró una eficiencia de conversión de energía récord del 15,2 % bajo luz solar simulada global estándar y una estabilidad operativa a largo plazo de más de 500 horas. Además, los dispositivos con un área activa mayor exhibieron eficiencias de alrededor del 30 % manteniendo una alta estabilidad, lo que ofrece nuevas posibilidades para el campo de las DSSC. [ 74 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Wan, Haiying "Celdas solares sensibilizadas con colorantes" , Departamento de Química de la Universidad de Alabama, pág. 3, publicado en 2004.
  2. ↑ "Células solares sensibilizadas con colorante frente a células solares de película delgada" , Instituto Europeo de Investigación Energética, 30 de junio de 2006
  3. ↑ EarlyHistory Archivado el 28 de marzo de 2016 en Wayback Machine . Workspace.imperial.ac.uk. Recuperado el 30 de mayo de 2013.
  4. ↑ O'Regan, Brian; Grätzel, Michael (1991). "Una celda solar de bajo costo y alta eficiencia basada en películas coloidales de TiO2 sensibilizadas con colorante" . Nature . 353 (6346): 737–40 . Bibcode : 1991Natur.353..737O . doi : 10.1038/353737a0 . S2CID 4340159 . 
  5. ↑ El profesor Grätzel gana el gran premio de tecnología del milenio 2010 por sus células solares sensibilizadas con colorantes , Academia de Tecnología de Finlandia, 14 de junio de 2010.
  6. ↑ Tributsch, H (2004). "Celdas solares de sensibilización de colorantes: una evaluación crítica de la curva de aprendizaje". Coordination Chemistry Reviews . 248 ( 13– 14): 1511– 30. doi : 10.1016/j.ccr.2004.05.030 .
  7. 1 2 "Celdas fotovoltaicas (celdas solares), cómo funcionan" . specmat.com. Archivado del original el 18 de mayo de 2007. Recuperado el 22 de mayo de 2007 .
  8. ↑ "LONGi establece un nuevo récord mundial del 27,09 % para la eficiencia de las células solares de heterounión de silicio con contacto posterior (HBC)" . Longi . Consultado el 13 de marzo de 2024 .
  9. ↑ Rühle, Sven (2016). "Valores tabulados del límite de Shockley-Queisser para células solares de unión simple". Solar Energy . 130 : 139-47 . Bibcode : 2016SoEn..130..139R . doi : 10.1016/j.solener.2016.02.015 .
  10. ↑ Gerischer, H; Michel-Beyerle, ME; Rebentrost, F; Tributsch, H (1968). "Sensibilización de la inyección de carga en semiconductores con una gran brecha de banda". Electrochimica Acta . 13 (6): 1509– 15. doi : 10.1016/0013-4686(68)80076-3 .
  11. ↑ Tributsch, H; Calvin, M (1971). "Electroquímica de moléculas excitadas: reacciones fotoelectroquímicas de clorofilas". Fotoquímica y fotobiología . 14 (2): 95– 112. doi : 10.1111/j.1751-1097.1971.tb06156.x . S2CID 97431760 . 
  12. ↑ Tributsch, Helmut (2008). "Reacción de moléculas de clorofila excitadas en electrodos y en fotosíntesis". Fotoquímica y fotobiología . 16 (4): 261– 9. doi : 10.1111/j.1751-1097.1972.tb06297.x . S2CID 94054808 . 
  13. ↑ Matsumura, Michio; Matsudaira, Shigeyuki; Tsubomura, Hiroshi; Takata, Masasuke; Yanagida, Hiroaki (1980). "Sensibilización con colorantes y estructuras superficiales de electrodos semiconductores". Industrial & Engineering Chemistry Product Research and Development . 19 (3): 415– 21. doi : 10.1021/i360075a025 .
  14. ↑ Tian, ​​Haining; Gardner, James; Edvinsson, Tomas; Pati, Palas B.; Cong, Jiayan; Xu, Bo; Abrahamsson, Maria; Cappel, Ute B.; Barea, Eva M. (19 de agosto de 2019), "CAPÍTULO 3: Celdas solares sensibilizadas con colorante" , Materiales de captura de energía solar , Serie de materiales inorgánicos, págs. 89–152 , doi : 10.1039/9781788013512-00089 , ISBN  978-1-78801-107-5, S2CID 202418222 
  15. ↑ Younas, M.; Baroud, Turki N.; Gondal, MA; Dastageer, MA; Giannelis, Emmanuel P. (agosto de 2020). "Contraelectrodos altamente eficientes y rentables para células solares sensibilizadas por colorantes (DSSCs) aumentados con carbones altamente mesoporosos". Journal of Power Sources . 468 228359. Bibcode : 2020JPS...46828359Y . doi : 10.1016/j.jpowsour.2020.228359 . S2CID 219920483 . 
  16. ↑ Zatirostami, Ahmad (diciembre de 2020). "Electrodeposición de SnSe sobre ITO: un contraelectrodo de bajo costo y alto rendimiento para DSSC". Journal of Alloys and Compounds . 844 156151. doi : 10.1016/j.jallcom.2020.156151 . S2CID 225022436 . 
  17. ↑ Gullace, S.; Nastasi, F.; Puntoriero, F.; Trusso, S.; Calogero, G. (marzo de 2020). "Un contraelectrodo de oro nanoestructurado sin platino para DSSC preparado mediante ablación láser pulsada". Applied Surface Science . 506 144690. Bibcode : 2020ApSS..50644690G . doi : 10.1016/j.apsusc.2019.144690 . S2CID 212976220 . 
  18. ↑ Mehmood, Umer; Ul Haq Khan, Anwar (noviembre de 2019). "Nanocristales de PbS recubiertos por pulverización como material de contraelectrodo eficaz para células solares sensibilizadas por colorante (DSSCs) sin platino". Solar Energy . 193 : 1–5 . Bibcode : 2019SoEn..193....1M . doi : 10.1016/j.solener.2019.09.035 . S2CID 204199274 . 
  19. ↑ Huang, Yi-June; Lee, Chuan-Pei; Pang, Hao-Wei; Li, Chun-Ting; Fan, Miao-Syuan; Vittal, R.; Ho, Kuo-Chuan (diciembre de 2017). "Síntesis controlada por microemulsión de cristales compuestos de CoSe 2 /CoSeO 3 para electrocatálisis en células solares sensibilizadas con colorante". Materials Today Energy . 6 : 189– 197. doi : 10.1016/j.mtener.2017.10.004 .
  20. ↑ Du, Feng; Yang, Qun; Qin, Tianze; Li, Guang (abril de 2017). "Crecimiento controlado morfológicamente de óxidos ternarios de NiCo2O4 y su aplicación en células solares sensibilizadas por colorantes como contraelectrodos". Solar Energy . 146 : 125–130 . Bibcode : 2017SoEn..146..125D . doi : 10.1016/j.solener.2017.02.025 .
  21. ↑ Jin, Zhitong; Zhao, Guanyu; Wang, Zhong-Sheng (2018). "Crecimiento controlable de películas de Ni x Co y Se y la influencia de la composición en el rendimiento fotovoltaico de células solares sensibilizadas con colorante de estado cuasi sólido". Journal of Materials Chemistry C . 6 (15): 3901– 3909. doi : 10.1039/C8TC00611C .
  22. ↑ Lu, Man-Ning; Lin, Jeng-Yu; Wei, Tzu-Chien (noviembre de 2016). "Explorando la función principal de las nanoflakes de óxido de grafeno reducido en un contraelectrodo de sulfuro de níquel-cobalto para celdas solares sensibilizadas con colorante". Journal of Power Sources . 332 : 281–289 . Bibcode : 2016JPS...332..281L . doi : 10.1016/j.jpowsour.2016.09.144 .
  23. 1 2 Juan Bisquert , "Células solares sensibilizadas por tinte" Archivado el 21 de diciembre de 2011 en Wayback Machine , Departamento de Física, Universitat Jaume I
  24. ↑ "Instrucciones de montaje de celdas solares de tinte" . Solaronix. Archivado del original el 28 de septiembre de 2007. Consultado el 22 de mayo de 2007 .
  25. ↑ Hamann, Thomas W; Jensen, Rebecca A; Martinson, Alex B. F; Van Ryswyk, Hal; Hupp, Joseph T (2008). "Avanzando más allá de las células solares sensibilizadas con colorantes de la generación actual". Energy & Environmental Science . 1 (1): 66– 78. Bibcode : 2008EnEnS...1...66H . doi : 10.1039/b809672d .
  26. ↑ Hara, Kohjiro; Arakawa, Hironori (2005). «Celdas solares sensibilizadas con colorantes». Manual de ciencia e ingeniería fotovoltaica . págs. 663–700 . doi : 10.1002/0470014008.ch15 . ISBN  9780470014004.
  27. ↑ Tiwari, Ashutosh; Snure, Michael (2008). "Síntesis y caracterización de electrodos nanoestructurados de ZnO con forma de planta". Journal of Nanoscience and Nanotechnology . 8 (8): 3981– 7. doi : 10.1166/jnn.2008.299 . PMID 19049161 . 
  28. ↑ Sociedad Química Estadounidense, "Celdas solares ultradelgadas sensibilizadas con colorantes consideradas las más eficientes hasta la fecha" , ScienceDaily , 20 de septiembre de 2006
  29. ↑ Gao, Feifei; Wang, Yuan; Zhang, Jing; Shi, Dong; Wang, Mingkui; Humphry-Baker, Robin; Wang, Peng; Zakeeruddin, Shaik M; Grätzel, Michael (2008). "Un nuevo sensibilizador de rutenio heteroléptico mejora la absortividad de una película de dióxido de titanio mesoporoso para una celda solar sensibilizada por colorante de alta eficiencia" . Chemical Communications (23): 2635–7 . doi : 10.1039/b802909a . PMID 18535691 . 
  30. ↑ Papageorgiou, Nik (7 de noviembre de 2013). "Las células solares sensibilizadas con colorantes rivalizan con la eficiencia de las células convencionales" – vía actu.epfl.ch.{{cite journal}}: Para citar una revista se requiere |journal=( ayuda )
  31. 1 2 Burschka, Julian; Pellet, Norman; Moon, Soo-Jin; Humphry-Baker, Robin; Gao, Peng; Nazeeruddin, Mohammad K; Grätzel, Michael (2013). "Deposición secuencial como ruta hacia células solares sensibilizadas con perovskita de alto rendimiento". Nature . 499 (7458): 316– 9. Bibcode : 2013Natur.499..316B . doi : 10.1038/nature12340 . PMID 23842493 . S2CID 4348717 .  
  32. ↑ Estes, Kathleen (7 de abril de 2014). "Nuevos hallazgos para ayudar a extender la vida útil de las células solares de alta eficiencia" . Rdmag.com . Consultado el 24 de agosto de 2014 .
  33. ^ Chittibabu, Kethinni, G. et al . Célula fotovoltaica , patente europea WO/2004/006292, Fecha de publicación: 15 de enero de 2004.
  34. ↑ Necesidades básicas de investigación para la utilización de la energía solar. Archivado el 16 de julio de 2011 en Wayback Machine , Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE. UU., 2005.
  35. ↑ Jessica Krüger, "Ingeniería de interfaces en células solares sensibilizadas con colorantes de estado sólido" Archivado el 26 de febrero de 2006 en Wayback Machine , École Polytechnique Fédérale de Lausanne, 2003
  36. ↑ Kimberly Patch, "Una célula solar también funciona como batería" , Technology Research News , 2006
  37. ^ Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, "Nuevo punto de referencia de eficiencia para células solares sensibilizadas por colorante" , ScienceDaily , 3 de noviembre de 2008
  38. ^ Nathalie Rossier-Iten, "Células solares híbridas sólidas sensibilizadas con tinte: nuevos materiales orgánicos, recombinación de carga y estabilidad" , École Polytechnique Fédérale de Lausanne, 2006
  39. ↑ Nattestad, A; Mozer, A. J; Fischer, MK R; Cheng, Y.-B; Mishra, A; Bäuerle, P; Bach, U (2009). "Fotocátodos altamente eficientes para células solares en tándem sensibilizadas con colorante". Nature Materials . 9 (1): 31– 5. Bibcode : 2010NatMa...9...31N . doi : 10.1038/nmat2588 . PMID 19946281 . 
  40. ↑ Tian, ​​Haining; Hammarström, Leif; Boschloo, Gerrit; Zhang, Lei (10 de febrero de 2016). "Celdas solares sensibilizadas con colorante de tipo p de estado sólido: concepto, experimento y mecanismo". Physical Chemistry Chemical Physics . 18 (7): 5080– 5085. Bibcode : 2016PCCP...18.5080Z . doi : 10.1039/C5CP05247E . ISSN 1463-9084 . PMID 26478116 .  
  41. ↑ Tian, ​​Haining; Hammarström, Leif; Boschloo, Gerrit; Sun, Junliang; Kubart, Tomas; Johansson, Malin; Yang, Wenxing; Lin, Junzhong; Zhang, Zhibin (20 de diciembre de 2017). "Regeneración ultrarrápida de colorante en una película mesoporosa de núcleo-capa NiO-colorante-TiO2" . Physical Chemistry Chemical Physics . 20 (1): 36– 40. doi : 10.1039/C7CP07088H . ISSN 1463-9084 . PMID 29210392 .  
  42. 1 2 Tian, ​​Haining; Hammarström, Leif; Boschloo, Gerrit; Kloo, Lars; Sun, Junliang; Hua, Yong; Kubart, Tomas; Lin, Junzhong; Pati, Palas Baran (10 de abril de 2018). "Celdas solares de núcleo-capa NiO–colorante–TiO2 sensibilizadas con colorante de tipo p de estado sólido" . Chemical Communications . 54 (30): 3739– 3742. doi : 10.1039/C8CC00505B . ISSN 1364-548X . PMID 29589009 .  
  43. 1 2 Xu, Bo; Tian, ​​Lei; Etman, Ahmed S.; Sun, Junliang; Tian, ​​Haining (enero de 2019). "Fotocátodos de NiO-colorante-ZnO nanoporosos procesados ​​en solución: Hacia células solares de estado sólido tipo p sensibilizadas con colorante y células de fotoelectrosíntesis sensibilizadas con colorante eficientes y estables". Nano Energy . 55 : 59–64 . Bibcode : 2019NEne...55...59X . doi : 10.1016/j.nanoen.2018.10.054 . S2CID 105027678 . 
  44. ↑ Tian, ​​Haining (26 de marzo de 2019). "Celdas solares sensibilizadas con colorante de tipo p de estado sólido: progreso, aplicaciones potenciales y desafíos" . Sustainable Energy & Fuels . 3 (4): 888– 898. doi : 10.1039/C8SE00581H . ISSN 2398-4902 . 
  45. ↑ Kalyanasundaram, K.; Grätzel, Michael (2 de febrero de 1999). "Celdas solares sensibilizadas con colorante (DYSC) basadas en películas semiconductoras de óxido nanocristalino" . Laboratorio de Fotónica e Interfaces, École Polytechnique Fédérale de Lausanne . Archivado del original el 6 de febrero de 2005. Recuperado el 22 de mayo de 2007 .
  46. ↑ Wang, Peng; Zakeeruddin, Shaik M; Moser, Jacques E; Nazeeruddin, Mohammad K; Sekiguchi, Takashi; Grätzel, Michael (2003). "Una celda solar sensibilizada con colorante cuasi-sólida estable con un sensibilizador de rutenio anfifílico y un electrolito de gel polimérico" . Nature Materials . 2 (6): 402– 7. Bibcode : 2003NatMa...2..402W . doi : 10.1038/nmat904 . PMID 12754500. S2CID 27383758 .  
  47. ↑ Grätzel, Michael (2003). "Celdas solares sensibilizadas con colorantes". Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews . 4 (2): 145– 53. doi : 10.1016/S1389-5567(03)00026-1 .
  48. ↑ Michael Berger, "Los nanocables podrían conducir a células solares mejoradas" , NewswireToday , 03/06/2006
  49. ↑ Campbell, Wayne M; Jolley, Kenneth W; Wagner, Pawel; Wagner, Klaudia; Walsh, Penny J; Gordon, Keith C; Schmidt-Mende, Lukas; Nazeeruddin, Mohammad K; Wang, Qing; Grätzel, Michael; Officer, David L (2007). "Sensibilizadores de porfirina altamente eficientes para células solares sensibilizadas con colorantes". The Journal of Physical Chemistry C . 111 (32): 11760– 2. CiteSeerX 10.1.1.459.6793 . doi : 10.1021/jp0750598 . 
  50. ↑ Wang, Qing; Campbell, Wayne M; Bonfantani, Edia E; Jolley, Kenneth W; Officer, David L; Walsh, Penny J; Gordon, Keith; Humphry-Baker, Robin; Nazeeruddin, Mohammad K; Grätzel, Michael (2005). "Recolección eficiente de luz mediante el uso de películas nanocristalinas de TiO2 sensibilizadas con Zn-porfirina verde" . The Journal of Physical Chemistry B. 109 ( 32): 15397–409 . doi : 10.1021/jp052877w . PMID 16852953 . 
  51. ↑ Bai, Yu; Cao, Yiming; Zhang, Jing; Wang, Mingkui; Li, Renzhi; Wang, Peng; Zakeeruddin, Shaik M; Grätzel, Michael (2008). "Celdas solares sensibilizadas con colorante de alto rendimiento basadas en electrolitos sin disolvente producidos a partir de fundidos eutécticos". Nature Materials . 7 (8): 626– 30. Bibcode : 2008NatMa...7..626B . doi : 10.1038/nmat2224 . PMID 18587401 . 
  52. 1 2 3 4 Bourzac, Katherine (30 de octubre de 2009). "Envoltura de células solares alrededor de una fibra óptica" . Technology Review . Archivado del original el 30 de octubre de 2009. Recuperado el 31 de octubre de 2009 .
  53. ↑ Weintraub, Benjamin; Wei, Yaguang; Wang, Zhong Lin (2009). "Estructuras híbridas de fibra óptica/nanocables para células solares sensibilizadas por colorante tridimensionales eficientes". Angewandte Chemie International Edition . 48 (47): 8981– 5. doi : 10.1002/anie.200904492 . PMID 19852015 . 
  54. ↑ Coxworth, Ben (8 de abril de 2010) Avance en células solares eficientes y de bajo costo , Gizmag.
  55. ↑ Posibilidad de fabricar células solares económicas y de alta eficiencia , ScienceDaily, 12 de abril de 2010.
  56. ↑ Tata Steel y Dyesol producen el módulo fotovoltaico sensibilizado con colorante más grande del mundo . Tatasteeleurope.com (10 de junio de 2011). Consultado el 26 de julio de 2011.
  57. ↑ Célula solar sensibilizada con colorante. Archivado el 28 de marzo de 2016 en Wayback Machine . Dyesol (21 de octubre de 2011). Consultado el 6 de enero de 2012.
  58. ↑ Se confirma el objetivo de industrialización . Dyesol. 21 de noviembre de 2011
  59. ↑ DYESOL LIMITED – Junta General Anual de Dyesol 2011 – Transmisión web de Boardroom Radio . Brr.com.au (23 de noviembre de 2011). Consultado el 6 de enero de 2012.
  60. ↑ Fellman, Megan (23 de mayo de 2012). "Llevando la tecnología solar a un nivel superior" . Universidad Northwestern.
  61. ↑ "El campus de la EPFL cuenta con la primera ventana solar del mundo" . Noticias de la EPFL . 5 de noviembre de 2013.
  62. ↑ Chandrasekhar, P. S; Parashar, Piyush K; Swami, Sanjay Kumar; Dutta, Viresh; Komarala, Vamsi K (2018). "Mejora del rendimiento de las células solares sensibilizadas con el colorante Y123 mediante nanobarras de oro plasmónicas". Physical Chemistry Chemical Physics . 20 (14): 9651– 8. Bibcode : 2018PCCP...20.9651C . doi : 10.1039/C7CP08445E . PMID 29582021 . 
  63. ↑ Kartikay, Purnendu; Nemala, Siva Sankar; Mallick, Sudhanshu (2017). "Fotoánodo nanoestructurado de TiO2 unidimensional para células solares sensibilizadas por colorante mediante síntesis hidrotermal". Journal of Materials Science: Materials in Electronics . 28 (15): 11528–33 . doi : 10.1007/s10854-017-6950-2 . S2CID 136164694 . 
  64. ↑ Liu, Yi-Yi; Ye, Xin-Yu; An, Qing-Qing; Lei, Bing-Xin; Sun, Wei; Sun, Zhen-Fan (2018). "Una síntesis novedosa de nanocables duales de TiO2 rectos en la parte inferior y curvados en la parte superior para células solares sensibilizadas con colorante". Advanced Powder Technology . 29 (6): 1455– 62. doi : 10.1016/j.apt.2018.03.008 . S2CID 139888611 . 
  65. ↑ Nemala, Siva Sankar; Kartikay, Purnendu; Agrawal, Rahul Kumar; Bhargava, Parag; Mallick, Sudhanshu; Bohm, Sivasambu (2018). "Tintas compuestas conductoras a base de grafeno de pocas capas para contraelectrodos de acero inoxidable sin Pt para DSSC". Solar Energy . 169 : 67–74 . Bibcode : 2018SoEn..169...67N . doi : 10.1016/j.solener.2018.02.061 . S2CID 126073469 . 
  66. ↑ Li, Heng; Zhao, Qing; Dong, Hui; Ma, Qianli; Wang, Wei; Xu, Dongsheng; Yu, Dapeng (2014). "Celdas solares sensibilizadas por colorante basadas en malla de acero inoxidable, altamente flexibles y de bajo costo". Nanoscale . 6 (21): 13203– 12. Bibcode : 2014Nanos...613203L . doi : 10.1039/C4NR03999H . PMID 25254313 . 
  67. ↑ Cao, Yiming; Liu, Yuhang; Zakeeruddin, Shaik Mohammed; Hagfeldt, Anders; Grätzel, Michael (2018). "El contacto directo de capas de extracción de carga selectiva permite la fotovoltaica molecular de alta eficiencia" . Joule . 2 (6): 1108– 1117. Bibcode : 2018Joule...2.1108C . doi : 10.1016/j.joule.2018.03.017 .
  68. ↑ Service, Robert F (2018). "Las células solares que funcionan con poca luz podrían cargar dispositivos en interiores". Science . doi : 10.1126/science.aat9682 .
  69. ↑ "Sistemas fotovoltaicos integrados en edificios" . SEIA . Consultado el 20 de noviembre de 2022 .
  70. ↑ Dhonde, Mahesh; Sahu, Kirti; Das, Malyaj; Yadav, Anand; Ghosh, Pintu; Murty, Vemparala Venkata Satyanarayana (1 de junio de 2022). "Revisión: Avances recientes en celdas solares sensibilizadas con colorantes; del fotoelectrodo al contraelectrodo". Journal of the Electrochemical Society . 169 (6): 066507. Bibcode : 2022JElS..169f6507D . doi : 10.1149/1945-7111/ac741f .
  71. ↑ Szindler, Marek; Szindler, Magdalena; Drygała, Aleksandra; Lukaszkowicz, Krzysztof; Kaim, Paulina; Pietruszka, Rafał (4 de julio de 2021). "Célula solar sensibilizada por tinte para aplicaciones fotovoltaicas integradas en edificios (BIPV)" . Materiales . 14 (13): 3743. Bibcode : 2021Mate...14.3743S . doi : 10.3390/ma14133743 . PMC 8269900 . PMID 34279313 .  
  72. ↑ "Células solares sensibilizadas con colorantes alcanzan un nuevo récord de eficiencia" . SciTechDaily . 26 de octubre de 2022. Consultado el 20 de noviembre de 2022 .
  73. ↑ Cole, Jacqueline M.; Pepe, Giulio; Al Bahri, Othman K.; Cooper, Christopher B. (26 de junio de 2019). "Cosensibilización en células solares sensibilizadas con colorantes". Chemical Reviews . 119 (12): 7279– 7327. doi : 10.1021/acs.chemrev.8b00632 . PMID 31013076. S2CID 129943544 .  
  74. 1 2 Ren, Yameng; Zhang, Dan; Suo, Jiajia; Cao, Yiming; Eickemeyer, Félix T.; Vlachopoulos, Nick; Zakeeruddin, Shaik M.; Hagfeldt, Anders; Grätzel, Michael (26 de octubre de 2022). "La preadsorción de ácido hidroxámico aumenta la eficiencia de las células solares cosensibilizadas" . Naturaleza . 613 (7942): 60– 65. doi : 10.1038/s41586-022-05460-z . PMID 36288749 . S2CID 253160720 .  
  • Relato de Brian O'Regan sobre la invención de la DSSC moderna.
  • Celdas solares de tinte para fabricar tus propias celdas solares: la guía de montaje para construir tus propias celdas solares.
  • Avance en células solares eficientes y de bajo costo