Una célula solar sensibilizada por colorante (DSSC, DSC, DYSC o Grätzel cell) es una célula solar de bajo costo que pertenece al grupo de células solares de película delgada. Se basa en un semiconductor formado entre un ánodo foto-sensibilizado y un electrolito, un sistema fotoelectroquímico. La versión moderna de una célula solar colorante, también conocida como célula Grätzel, fue co-inventada originalmente en 1988 por Brian O’Regan y Michael Grätzel en la Universidad de Berkeley y este trabajo fue desarrollado posteriormente por los científicos antes mencionados en la École Polytechnique Fédérale de Lausanne hasta la publicación del primer DSSC de alta eficiencia en 1991. Michael Grätzel ha sido galardonado con el Premio de Tecnología del Milenio 2010 por esta invención.

El DSSC tiene una serie de características atractivas; es simple de hacer usando técnicas de impresión de rollo convencionales, es semi-flexible y semitransparente, que ofrece una variedad de usos que no se aplican a los sistemas basados ​​en vidrio, y la mayoría de los materiales utilizados son de bajo costo. En la práctica, ha resultado difícil eliminar una cantidad de materiales costosos, especialmente platino y rutenio, y el electrolito líquido presenta un serio desafío para hacer que una célula sea adecuada para su uso en todo tipo de clima. Aunque su eficiencia de conversión es menor que las mejores celdas de película delgada, en teoría su relación precio / rendimiento debería ser lo suficientemente buena como para permitirles competir con la generación eléctrica de combustibles fósiles al lograr la paridad de red. Las aplicaciones comerciales, que se retrasaron debido a problemas de estabilidad química, se pronostican 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 célula solar está hecha de dos cristales dopados, uno dopado con impurezas de tipo n (semiconductor de tipo n), que agrega electrones de banda de conducción libres adicionales, y el otro dopado con impurezas de tipo p ( semiconductor de tipo p), que agrega agujeros electrónicos adicionales. Cuando se colocan en contacto, algunos de los electrones en la parte de tipo n fluyen hacia el tipo p para «completar» los electrones faltantes, también conocidos como agujeros de electrones. Eventualmente, electrones suficientes fluirán a través del límite para igualar los niveles de Fermi de los dos materiales. El resultado es una región en la interfaz, la unión pn, donde los portadores de carga se agotan y / o se acumulan en cada lado de la interfaz. En silicio, esta transferencia de electrones produce una barrera potencial de aproximadamente 0.6 a 0.7 V.

Cuando se colocan al sol, los fotones de la luz solar pueden excitar electrones en el lado tipo p del semiconductor, un proceso conocido como fotoexcitación. En el silicio, la luz del sol puede proporcionar energía suficiente 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 sobre el silicio. Cuando se coloca una carga en toda la celda como un todo, estos electrones fluirán del lado tipo p al lado tipo n, perderán energía mientras se mueven a través del circuito externo, y luego fluirán de regreso al material de tipo p donde una vez más pueden volver a combinarse con el agujero de la banda de valencia que dejaron atrás. De esta manera, la luz del sol crea una corriente eléctrica.

En cualquier semiconductor, la banda prohibida significa que solo los fotones con esa cantidad de energía, o más, contribuirán a producir una corriente. En el caso del silicio, la mayoría de la luz visible de rojo a violeta tiene energía suficiente para que esto suceda. Lamentablemente, los fotones de mayor energía, aquellos en el extremo azul y violeta del espectro, tienen energía más que suficiente para cruzar el espacio de banda; aunque parte de esta energía extra se transfiere a los electrones, la mayor parte se desperdicia en forma de calor. Otro problema es que para tener una posibilidad razonable de capturar un fotón, la capa de tipo n tiene que ser bastante gruesa. Esto también aumenta la posibilidad de que un electrón recién expulsado se encuentre con un agujero previamente creado en el material antes de llegar a la unión pn. Estos efectos producen un límite superior en la eficiencia de las células solares de silicio, actualmente alrededor de 12 a 15% para módulos comunes y hasta 25% para las mejores células de laboratorio (33.16% es la eficiencia máxima teórica para celdas solares de banda única, ver Shockley -Límite Quest).

Con mucho, el mayor problema con el enfoque convencional es el costo; las células solares requieren una capa relativamente gruesa de silicio dopado para tener tasas razonables de captura de fotones, y el procesamiento de silicio es costoso. Ha habido una serie de enfoques diferentes para reducir este costo en la última década, especialmente los enfoques de película delgada, pero hasta la fecha han visto una aplicación limitada debido a una variedad de problemas prácticos. Otra línea de investigación ha sido mejorar drásticamente la eficiencia a través del enfoque de conexiones múltiples, aunque estas células tienen un costo muy elevado y son adecuadas solo para grandes despliegues comerciales. En términos generales, los tipos de celdas adecuadas para el despliegue en tejados no han cambiado significativamente en eficiencia, aunque los costos han disminuido un poco debido al aumento de la oferta.

Células solares sensibilizadas por colorante
A finales de la década de 1960, se descubrió que los tintes orgánicos iluminados pueden generar electricidad en los electrodos de óxido en las células electroquímicas. En un esfuerzo por comprender y simular los procesos primarios en la fotosíntesis, se estudió el fenómeno en la Universidad de California en Berkeley con clorofila extraída de espinaca (enfoque biomimético o biónico). Sobre la base de tales experimentos, se demostró y discutió la generación de energía eléctrica a través del principio de célula solar de sensibilización de colorante (DSSC) en 1972. La inestabilidad de la célula solar de colorante se identificó como un desafío principal. Su eficiencia podría, durante las dos décadas siguientes, mejorarse optimizando la porosidad del electrodo preparado a partir de polvo de óxido fino, pero la inestabilidad seguía siendo un problema.

Un DSSC moderno está compuesto por una capa porosa de nanopartículas de dióxido de titanio, cubiertas con un colorante molecular que absorbe la luz solar, como la clorofila en las hojas verdes. El dióxido de titanio se sumerge bajo una solución electrolítica, por encima de la cual está un catalizador a base de platino. Como en una batería alcalina convencional, un ánodo (el dióxido de titanio) y un cátodo (el platino) se colocan a cada lado de un conductor de líquido (el electrolito).

La luz del sol pasa a través del electrodo transparente hacia la capa de tinte donde puede excitar electrones que luego fluyen hacia el dióxido de titanio. Los electrones fluyen hacia el electrodo transparente donde se recogen para alimentar una carga. Después de fluir a través del circuito externo, se vuelven a introducir en la celda en un electrodo de metal en la parte posterior, que fluye hacia el electrolito. El electrolito luego transporta los electrones de vuelta a las moléculas de colorante.

Las células solares sensibilizadas por colorante separan las dos funciones proporcionadas por el silicio en un diseño de celda tradicional. Normalmente, el silicio actúa como fuente de fotoelectrones y proporciona el campo eléctrico para separar las cargas y crear una corriente. En la célula solar sensibilizada por colorante, la mayor parte del semiconductor se utiliza únicamente para el transporte de carga, los fotoelectrones se proporcionan a partir de un colorante fotosensible por separado. La separación de carga ocurre en las superficies entre el tinte, el semiconductor y el electrolito.

Las moléculas de colorante son bastante pequeñas (nanómetros), por lo que para capturar una cantidad razonable de la luz entrante, la capa de moléculas de colorante debe ser bastante gruesa, mucho más gruesa que las moléculas mismas. Para abordar este problema, se utiliza un nanomaterial como andamio para mantener un gran número de moléculas de colorante en una matriz 3-D, aumentando el número de moléculas para cualquier área superficial determinada de la célula. En los diseños existentes, este andamio es proporcionado por el material semiconductor, que sirve doble servicio.

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 flúor (SnO2: F) depositado en la parte posterior de una placa (típicamente vidrio). En la parte posterior de esta placa conductora hay una capa delgada de dióxido de titanio (TiO2), que forma una estructura altamente porosa con una superficie extremadamente elevada. El (TiO2) está unido químicamente por un proceso llamado sinterización. TiO2 solo absorbe una pequeña fracción de los fotones solares (aquellos en el UV). La placa se sumerge luego en una mezcla de colorante de rutenio-polipiridina fotosensible (también llamado sensibilizadores moleculares) y un disolvente. Después de remojar la película en la solución de tinte, se deja covalentemente una delgada capa de tinte en la superficie del TiO2. El enlace es un enlace de puente éster, quelante o bidentado.

Luego se hace una placa separada con una capa delgada del electrolito de yoduro extendido sobre una lámina conductora, típicamente metal platino. Las dos placas se unen y sellan juntas para evitar que el electrolito se filtre. La construcción es lo suficientemente simple como para que haya kits de pasatiempos disponibles para construirlos a mano. A pesar de que utilizan una serie de materiales «avanzados», estos son económicos en comparación con el silicio necesario para las células normales, ya que no requieren costosas etapas de fabricación. TiO2, por ejemplo, ya se usa ampliamente como base de pintura.

Uno de los dispositivos DSSC eficaces usa colorante molecular basado en rutenio, por ejemplo [Ru (4,4′-dicarboxi-2,2′-bipiridina) 2 (NCS) 2] (N3), que está unido a un fotoanodo a través de restos carboxilato . El fotoanodo consiste en una película de 12 μm de espesor de nanopartículas de TiO2 transparentes de 10-20 nm de diámetro cubiertas con una película de 4 μm de espesor de partículas mucho más grandes (400 nm de diámetro) que dispersan los fotones nuevamente dentro de la película transparente. El tinte excitado inyecta rápidamente un electrón en el TiO2 después de la absorción de la luz. El electrón inyectado se difunde a través de la red de partículas sinterizadas para ser recolectado en el electrodo de óxido conductor transparente (TCO) del lado frontal, mientras que el tinte se regenera por reducción mediante un transportador redox, I3 / I, disuelto en una solución. La difusión de la forma oxidada de la lanzadera al contraelectrodo completa el circuito.

Mecanismo de DSSCs
Los principales procesos que ocurren en un DSSC

Paso 1: los siguientes pasos principales convierten los fotones (claros) en actuales:

El fotón incidente es absorbido por los fotosensibilizadores del complejo Ru adsorbidos en la superficie de TiO2.
Los fotosensibilizadores se excitan desde el estado fundamental (S) hasta el estado excitado (S *). Los electrones excitados se inyectan en la banda de conducción del electrodo de TiO2. Esto resulta en la oxidación del fotosensibilizador (S +).

S + hν → S * (1)

(2)

Los electrones inyectados en la banda de conducción de TiO2 se transportan entre nanopartículas de TiO2 con difusión hacia el contacto posterior (TCO). Y los electrones finalmente alcanzan el contraelectrodo a través del circuito.
El fotosensibilizador oxidado (S +) acepta electrones del mediador redox I-ion que conduce a la regeneración del estado fundamental (S), y dos I-Iones se oxidan a yodo elemental que reacciona con I- al estado oxidado, I3-.
S + + e- → S (3)

El mediador redox oxidado, I3-, se difunde hacia el contraelectrodo y luego se reduce a I-iones.
I3- + 2 e- → 3 I- (4)

La eficiencia de un 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.

Morfología tipo nanoplant
En DSSC, los electrodos consistían en nanopartículas semiconductoras sinterizadas, principalmente TiO2 o ZnO. Estos DSSC de nanopartículas se basan en 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 nanopartículas requiere una alta temperatura de aproximadamente 450 ° C, lo que restringe la fabricación de estas células a sustratos sólidos rígidos y robustos. Se ha demostrado que hay un aumento en la eficiencia de DSSC, si el electrodo de nanopartículas sinterizadas se reemplaza por un electrodo especialmente diseñado que posee una morfología exótica tipo «nanoplante».

Operación
La luz solar entra a la célula a través del contacto superior transparente SnO2: F, golpeando el tinte en la superficie del TiO2. Los fotones que golpean el tinte con suficiente energía para ser absorbidos crean un estado excitado del tinte, desde el cual un electrón puede ser «inyectado» directamente en la banda de conducción del TiO2. Desde allí se mueve por difusión (como resultado de un gradiente de concentración de electrones) al ánodo transparente en la parte superior.

Mientras tanto, la molécula de colorante ha perdido un electrón y la molécula se descompondrá si no se proporciona otro electrón. El colorante elimina uno del yoduro en el electrolito debajo del TiO2, oxidándolo en triyoduro. Esta reacción se produce con bastante rapidez en comparación con el tiempo que tarda el electrón inyectado en recombinarse con la molécula de tinte oxidado, lo que evita esta reacción de recombinación que, de hecho, provocaría un cortocircuito en la célula solar.

El triyoduro recupera su electrón perdido al difundirse mecánicamente al fondo de la celda, donde el contraelectrodo reintroduce los electrones después de fluir a través del circuito externo.

Eficiencia
Se usan varias medidas importantes para caracterizar las células solares. El más obvio es la cantidad total de energía eléctrica producida para una cantidad dada de energía solar que brilla en la celda. Expresado como un porcentaje, esto se conoce como la eficiencia de conversión solar. La energía eléctrica es el producto de la corriente y el voltaje, por lo que los valores máximos para estas mediciones también son importantes, Jsc y Voc respectivamente. Finalmente, para comprender la física subyacente, se usa la «eficiencia cuántica» para comparar la posibilidad de que un fotón (de una energía particular) cree un electrón.

En términos de eficiencia cuántica, los DSSC son extremadamente eficientes. Debido a su «profundidad» en la nanoestructura, hay una gran probabilidad de que un fotón sea absorbido, y los colorantes son muy efectivos para convertirlos en electrones. La mayoría de las pequeñas pérdidas que existen en DSSC se deben a pérdidas de conducción en el TiO2 y al electrodo transparente, o pérdidas ópticas en el electrodo frontal. La eficiencia cuántica general para la luz verde es aproximadamente del 90%, y el 10% «perdido» se explica en gran parte por las pérdidas ópticas en el electrodo superior. La eficiencia cuántica de los diseños tradicionales varía, dependiendo de su espesor, pero son más o menos lo mismo que el DSSC.

En teoría, la tensión máxima generada por dicha celda es simplemente la diferencia entre el nivel (cuasi) de Fermi del TiO2 y el potencial redox del electrolito, alrededor de 0,7 V en condiciones de iluminación solar (Voc). Es decir, si un DSSC iluminado está conectado a un voltímetro en un «circuito abierto», leería aproximadamente 0.7 V. En términos de voltaje, los DSSC ofrecen Voc ligeramente más alto que el silicio, aproximadamente 0.7 V en comparación con 0.6 V. Esto es diferencia bastante pequeña, por lo que las diferencias en el mundo real están dominadas por la producción actual, Jsc.

Aunque el tinte es altamente eficiente para convertir fotones absorbidos en electrones libres en el TiO2, solo los fotones absorbidos por el tinte producen finalmente corriente. La tasa de absorción de fotones depende del espectro de absorción de la capa de TiO2 sensibilizada y del espectro de flujo solar. La superposición entre estos dos espectros determina la máxima fotocorriente posible. Normalmente, las moléculas de colorante usadas tienen una absorción más pobre en la parte roja del espectro en comparación con el silicio, lo que significa que se pueden usar menos de los fotones en la luz solar para la generación actual. Estos factores limitan la corriente generada por un DSSC, para comparación, una célula solar tradicional basada en silicio ofrece aproximadamente 35 mA / cm2, mientras que los DSSC actuales ofrecen aproximadamente 20 mA / cm2.

La eficiencia máxima de conversión de potencia máxima para los DSSC actuales es aproximadamente del 11%. El récord actual de prototipos se encuentra en 15%.

Degradación
Los DSSC se degradan cuando se exponen a la radiación ultravioleta. En 2014, se identificó la infiltración de aire de la capa amorfa comúnmente utilizada de Spiro-MeOTAD como la causa principal de la degradación, en lugar de la oxidación. El daño podría evitarse mediante la adición de una barrera adecuada.

La capa de barrera puede incluir estabilizadores UV y / o cromóforos luminiscentes absorbentes de UV (que emiten a longitudes de onda más largas) y antioxidantes para proteger y mejorar la eficacia de la célula.

Ventajas
Los DSSC son actualmente la tecnología solar de tercera generación más eficiente (Utilización Solar de Energía Solar de Investigación Básica 2005 16) disponible. Otras tecnologías de película delgada son típicamente entre 5% y 13%, y los paneles de silicio comerciales tradicionales de bajo costo operan entre 14% y 17%. Esto hace que DSSC sea atractivo como un reemplazo de las tecnologías existentes en aplicaciones de «baja densidad» como los colectores solares en la azotea, donde la robustez mecánica y el peso ligero del colector sin vidrio es una gran ventaja. Puede que no sean tan atractivos para despliegues a gran escala donde las celdas de mayor eficiencia y mayor costo son más viables, pero incluso pequeños incrementos en la eficiencia de conversión del DSSC también los pueden hacer adecuados para algunos de estos roles.

Hay otra área donde los DSSC son particularmente atractivos. El proceso de inyectar un electrón directamente en el TiO2 es cualitativamente diferente del 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 volver a combinarse con su propio orificio, emitiendo un fotón (u otra forma de energía) y dando como resultado que no se genere corriente. Aunque este caso particular puede no ser común, es bastante fácil que un electrón generado en otra molécula golpee un agujero dejado atrás en una fotoexcitación previa.

En comparación, el proceso de inyección utilizado en el DSSC no introduce un agujero en el TiO2, solo un electrón extra. Aunque es energéticamente posible que el electrón vuelva a recombinarse en el tinte, la velocidad a la que esto ocurre es bastante lenta en comparación con la velocidad con la que el tinte recupera un electrón del electrolito circundante. También es posible la recombinación directamente del TiO2 a especies en el electrolito aunque, de nuevo, para dispositivos optimizados, esta reacción es bastante lenta. Por el contrario, la transferencia de electrones del electrodo recubierto con platino a las especies en el electrolito es necesariamente muy rápida.

Como resultado de estas favorables «cinéticas diferenciales», DSSC funcionan incluso en condiciones de poca luz. Por lo tanto, los DSSC pueden trabajar bajo cielos nublados y luz solar no directa, mientras que los diseños tradicionales sufrirían un «recorte» en un límite inferior de iluminación, cuando la movilidad del portador de carga es baja y la recombinación se convierte en un problema importante. El límite es tan bajo que incluso se proponen para uso en interiores, recolectando energía para dispositivos pequeños de las luces de la casa.

Una ventaja práctica, una DSSC compartida con la mayoría de las tecnologías de película delgada, es que la robustez mecánica de la celda conduce indirectamente a mayores eficiencias en temperaturas más altas. En cualquier semiconductor, el aumento de la temperatura promoverá algunos electrones en la banda de conducción «mecánicamente». La fragilidad de las células de silicio tradicionales requiere que estén protegidas de los elementos, por lo general envolviéndolas en una caja de vidrio similar a un invernadero, con un soporte de metal para mayor resistencia. Dichos sistemas sufren disminuciones notables en la eficiencia a medida que las células se calientan internamente. Los DSSC normalmente se construyen con solo una fina capa de plástico conductivo en la capa frontal, lo que les permite irradiar el calor mucho más fácilmente y, por lo tanto, operar a temperaturas internas más bajas.

Desventajas
La principal desventaja del diseño DSSC es el uso del electrolito líquido, que tiene problemas de estabilidad de temperatura. A bajas temperaturas, el electrolito puede congelarse, interrumpir la producción de energía y potencialmente provocar daños físicos. Las temperaturas más altas hacen que el líquido se expanda, lo que hace que sellar los paneles sea un problema grave. Otra desventaja es que el costoso rutenio (colorante), el platino (catalizador) y la conducción de vidrio o plástico (contacto) son necesarios para producir un DSSC. Un tercer inconveniente importante es que la solución de electrolitos contiene compuestos orgánicos volátiles (o VOC’s), solventes que deben sellarse cuidadosamente ya que son peligrosos para la salud humana y el medio ambiente. Esto, junto con el hecho de que los solventes impregnan los plásticos, ha impedido la aplicación en el exterior a gran escala y la integración en una estructura flexible.

Reemplazar el electrolito líquido con un sólido ha sido un importante campo de investigación en curso. Los experimentos recientes que usan sales fundidas solidificadas han demostrado ser prometedores, pero actualmente sufren una mayor degradación durante la operación continua, y no son flexibles.

Fotocátodos y células tándem
Las células solares sensibilizadas por colorante funcionan como un fotoanatio (n-DSC), donde la fotocorriente resulta de la inyección de electrones por el colorante sensibilizado. Los fotocátodos (p-DSCs) operan en un modo inverso en comparación con los n-DSC convencionales, donde la excitación del colorante es seguida por transferencia rápida de electrones de un semiconductor de tipo p al colorante (inyección de agujero sensibilizado por colorante, en lugar de inyección de electrones) . Tales p-DSC y n-DSC se pueden combinar para construir células solares en tándem (pn-DSC) y la eficacia teórica de las DSC en tándem es mucho más amplia que la de las DSC de unión única.

Una celda en tándem estándar consiste en una n-DSC y una p-DSC en una configuración de sándwich simple con una capa de electrolito intermedia. n-DSC y p-DSC están conectados en serie, lo que implica que la fotocorriente resultante será controlada por el fotoelectrodo más débil, mientras que las fotovoltaicas son aditivas. Por lo tanto, la coincidencia de fotocorriente es muy importante para la construcción de pn-DSC en tándem altamente eficientes. Sin embargo, a diferencia de las n-DSC, la recombinación de carga rápida después de la inyección del orificio sensibilizado por colorante usualmente dio como resultado bajas fotocorrientes en p-DSC y por lo tanto obstaculizó la eficacia del dispositivo en general.

Los investigadores han descubierto que el uso de colorantes que comprenden una monoamina de perileno (PMI) como el aceptor y un oligotiofeno acoplado a la trifenilamina como donador mejoran enormemente el rendimiento de p-DSC reduciendo la tasa de recombinación de carga después de la inyección de agujero sensibilizado con colorante. Los investigadores construyeron un dispositivo DSC en tándem con NiO en el lado p-DSC y TiO2 en el lado n-DSC. El emparejamiento de fotocorriente se logró mediante el ajuste de espesores de película de NiO y TiO2 para controlar las absorciones ópticas y, por lo tanto, unir las fotocorrientes de ambos electrodos. La eficiencia de conversión de energía del dispositivo es 1.91%, que excede la eficiencia de sus componentes individuales, pero aún es mucho más baja que la de los dispositivos n-DSC de alto rendimiento (6% -11%). Los resultados aún son prometedores ya que el DSC en tándem era en sí mismo rudimentario. La mejora dramática en el rendimiento en p-DSC eventualmente puede conducir a dispositivos tándem con una eficiencia mucho mayor que los n-DSC únicos.

Desarrollo
Los tintes utilizados en las primeras células experimentales (circa 1995) fueron sensibles solo en el extremo de alta frecuencia del espectro solar, en el UV y el azul. Las versiones más nuevas se introdujeron rápidamente (alrededor de 1999) que tenían una respuesta de frecuencia mucho más amplia, notablemente «triscarboxy-rutenio terpiridina» [Ru (4,4 ‘, 4 «- (COOH) 3-terpy) (NCS) 3], que es eficiente justo en el rango de baja frecuencia de luz roja e IR. La amplia respuesta espectral da como resultado que el tinte tenga un color marrón oscuro intenso, y se conoce simplemente como «tinte negro». Los tintes tienen una excelente posibilidad de convertir un fotón en un electrón, originalmente alrededor del 80% pero mejorando a una conversión casi perfecta en tintes más recientes, la eficiencia general es de aproximadamente el 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» fue sometido a 50 millones de ciclos, el equivalente a diez años de exposición al sol en Suiza. No se observó una disminución apreciable del rendimiento. Sin embargo, el tinte está sujeto a fallas en situaciones de mucha luz. Durante la última década, se llevó a cabo un extenso programa de investigación para abordar estas preocupaciones. Los tintes más nuevos incluían 1-etil-3-metilimidazolio tetrocianoborato [EMIB (CN) 4] que es extremadamente ligero y estable a la temperatura, cobre-diselenio [Cu (In, GA) Se2] que ofrece mayores eficiencias de conversión, y otros con variaciones propiedades de propósito especial.

Los DSSC todavía están en el inicio de su ciclo de desarrollo. Las ganancias de eficiencia son posibles y recientemente comenzaron un estudio más amplio. Estos incluyen el uso de puntos cuánticos para la conversión de luz de mayor energía (frecuencia más alta) en electrones múltiples, el uso de electrolitos de estado sólido para una mejor respuesta de temperatura y el cambio de dopaje del TiO2 para que coincida mejor con el electrolito que se utiliza.

Nuevos desarrollos

2010
Investigadores de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne y de la Universidad de Québec en Montreal afirman haber superado dos de los principales problemas de DSC:

Se han creado «nuevas moléculas» para el electrolito, lo que da como resultado un líquido o gel que es transparente y no corrosivo, lo que puede aumentar la fotovoltaica y mejorar la producción y la estabilidad de la célula.
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.
2011
Dyesol y Tata Steel Europe anunciaron en junio el desarrollo del módulo fotovoltaico sensibilizado con tinte más grande del mundo, impreso en acero en una línea continua.

Dyesol y CSIRO anunciaron en octubre una finalización exitosa del segundo hito en el proyecto conjunto Dyesol / CSIRO. El Director de Dyesol, Gordon Thompson, dijo: «Los materiales desarrollados durante esta colaboración conjunta tienen el potencial de avanzar significativamente en la comercialización de DSC en una gama de aplicaciones donde el rendimiento y la estabilidad son requisitos esenciales. Dyesol está extremadamente animado por los avances en la química que permiten la producción de las moléculas objetivo. Esto crea un camino hacia la utilización comercial inmediata de estos nuevos materiales «.

Dyesol y Tata Steel Europe anunciaron en noviembre el desarrollo específico del acero solar GIP Parity Competitive BIPV que no requiere el suministro subsidiado por el gobierno en aranceles. El techo «Solar Steel» de TATA-Dyesol se está instalando actualmente en el Sustainable Envelope Center (SBEC) en Shotton, Gales.

2012
Los investigadores de la Universidad de Northwestern anunciaron una solución para un problema principal de los DSSC, el de las dificultades para usar y contener el electrolito líquido y la consecuente vida útil relativamente corta del dispositivo. Esto se logra mediante el uso de la nanotecnología y la conversión del electrolito líquido en un sólido. La eficiencia actual es aproximadamente la mitad que la de las células de silicio, pero las células son livianas y potencialmente de mucho menor costo de producción.

2013
Durante los últimos 5-10 años, se desarrolló un nuevo tipo de DSSC: la célula solar sensibilizada con colorante de estado sólido. En este caso, el electrolito líquido es reemplazado por uno de varios materiales conductores de agujeros sólidos. De 2009 a 2013, la eficiencia de los DSSC de estado sólido aumentó drásticamente del 4% al 15%. Michael Graetzel anunció la fabricación de DSSC de estado sólido con una eficiencia del 15.0%, alcanzada por medio de un colorante híbrido de perovskita CH3NH3PbI3, posteriormente depositado a partir de las soluciones separadas de CH3NH3I y PbI2.

Primera integración arquitectónica en el nuevo centro de convenciones de EPFL, en asociación con Romande Energie. La superficie total será de 300 metros cuadrados, en 1400 módulos de 50 cm x 35 cm. Diseñado por los artistas Daniel Schlaepfer y Catherine Bolle.

2018
Los investigadores han investigado el papel de las resonancias de plasmón de superficie presentes en nanobarras de oro en el rendimiento de las células solares sensibilizadas por colorante. Descubrieron que con un aumento de la concentración en las nanobarras, la absorción de luz crecía linealmente; sin embargo, la extracción de carga también fue susceptible a la concentración. Con una concentración optimizada, descubrieron que la eficiencia global de conversión de energía mejoró del 5,31 al 8,86% para las células solares sensibilizadas con colorante Y123.

La síntesis de una estructura nanométrica de TiO2 unidimensional directamente sobre sustratos de vidrio de óxido de estaño dopado con flúor fue exitosa mediante una reacción solvotermal de dos paradas. Además, a través de un tratamiento de sol de TiO2, el rendimiento de las células de nanocables de TiO2 dobles puede mejorarse alcanzando una eficiencia de conversión de potencia del 7,65%.

Se ha informado que el contraelectrodo basado en acero inoxidable para DSSC reduce aún más el costo, en comparación con el contraelectrodo convencional basado en platino, y es adecuado para aplicaciones en exteriores.

Los investigadores de EPFL han avanzado los DSSC basados ​​en electrolitos redox de complejos de cobre, que han logrado una eficiencia del 13.1% en condiciones AM1.5G estándar, 100 mW / cm2 y un rendimiento del 32% bajo 1000 lux de luz interior.

Introducción al mercado
Varios proveedores comerciales prometen disponibilidad de DSC en el futuro cercano:

Dyesol inauguró oficialmente sus nuevas instalaciones de fabricación en Queanbeyan, Australia, el 7 de octubre de 2008. Posteriormente, anunció colaboraciones con Tata Steel (TATA-Dyesol) y Pilkington Glass (Dyetec-Solar) para el desarrollo y fabricación a gran escala de DSC BIPV. Dyesol también ha establecido relaciones de trabajo con Merck, Umicore, CSIRO, el Ministerio de Economía y Comercio de Japón, Singapur Aerospace Manufacturing y una empresa conjunta con TIMO Korea (Dyesol-TIMO).

Solaronix, una empresa suiza especializada en la producción de materiales DSC desde 1993, amplió sus instalaciones en 2010 para alojar una línea piloto de fabricación de módulos DSC.

SolarPrint fue fundada en Irlanda en 2008 por el Dr. Mazhar Bari, Andre Fernon y Roy Horgan. SolarPrint fue la primera entidad comercial con sede en Irlanda que participó en la fabricación de tecnología fotovoltaica. La innovación de SolarPrint fue la solución al electrolito a base de solvente que hasta la fecha ha prohibido la comercialización masiva de DSSC. La compañía entró en suspensión de pagos en 2014 y fue liquidada.

G24innovations fundada en 2006, con sede en Cardiff, Gales del Sur, Reino Unido. El 17 de octubre de 2007, reclamó la producción de las primeras películas finas sensibilizadas con tinte comercial.
Sony Corporation ha desarrollado células solares sensibilizadas por colorante con una eficiencia de conversión de energía del 10%, un nivel que se considera necesario para uso comercial.

Tasnee ingresa en un acuerdo de inversión estratégica con Dyesol.

H.Glass fue fundado en 2011 en Suiza. H.Glass has put enormous efforts to create industrial process for the DSSC technologie – the first results where shown at the EXPO 2015 in Milano at the Austrian Pavilion. The milestone for DSSC is the Science Tower in Austria – it is the largest installation of DSSC in the world – carried out by SFL technologies.