Une cellule solaire à colorant (DSSC, DSC, DYSC ou Grätzel) est une cellule solaire à faible coût appartenant au groupe des cellules solaires à couche mince. Il est basé sur un semi-conducteur formé entre une anode photo-sensibilisée et un électrolyte, un système photoélectrochimique. La version moderne d’une cellule solaire à colorant, également connue sous le nom de cellule Grätzel, a été co-inventée en 1988 par Brian O’Regan et Michael Grätzel à l’Université de Berkeley, puis développée par les scientifiques de l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne jusqu’à la publication du premier DSSC à haut rendement en 1991. Michael Grätzel a reçu le Prix du Millénaire pour la technologie 2010 pour cette invention.

Le DSSC présente un certain nombre de caractéristiques intéressantes. Il est simple à utiliser avec les techniques classiques d’impression par rouleau, est semi-flexible et semi-transparent, ce qui offre une variété d’utilisations non applicables aux systèmes à base de verre, et la plupart des matériaux utilisés sont peu coûteux. En pratique, il s’est avéré difficile d’éliminer un certain nombre de matériaux coûteux, notamment le platine et le ruthénium, et l’électrolyte liquide présente un sérieux défi pour la fabrication d’une cellule pouvant être utilisée par tous les temps. Bien que son efficacité de conversion soit inférieure à celle des meilleures cellules à couches minces, son rapport qualité / prix devrait en théorie être suffisant pour lui permettre de concurrencer la production d’électricité à partir de combustibles fossiles en réalisant la parité réseau. Les applications commerciales, qui ont été bloquées en raison de problèmes de stabilité chimique, devraient, dans la feuille de route de l’Union européenne, contribuer de manière significative à la production d’électricité renouvelable d’ici 2020.

Technologie actuelle: cellules solaires à semi-conducteurs
Dans un semi-conducteur à semi-conducteurs traditionnel, une cellule solaire est constituée de deux cristaux dopés, l’un dopé avec des impuretés de type n (semi-conducteur de type n), qui ajoutent des électrons de bande de conduction libre et l’autre des impuretés de type p ( semi-conducteur de type p), qui ajoute des trous d’électrons supplémentaires. Lorsqu’ils sont mis en contact, certains des électrons de la partie de type n passent dans le type p pour « remplir » les électrons manquants, également appelés trous d’électrons. Finalement, suffisamment d’électrons traverseront la frontière pour égaliser les niveaux de Fermi des deux matériaux. Le résultat est une région à l’interface, la jonction pn, où les porteurs de charge sont épuisés et / ou accumulés de chaque côté de l’interface. Dans le silicium, ce transfert d’électrons produit une barrière de potentiel d’environ 0,6 à 0,7 V.

Lorsqu’ils sont placés au soleil, les photons de la lumière du soleil peuvent exciter des électrons du côté p du semi-conducteur, un processus connu sous le nom de photoexcitation. Dans le silicium, la lumière du soleil peut fournir suffisamment d’énergie pour pousser un électron hors de la bande de valence de moindre énergie vers la bande de conduction à énergie plus élevée. Comme son nom l’indique, les électrons dans la bande de conduction sont libres de se déplacer dans le silicium. Lorsqu’une charge est placée à travers la cellule dans son ensemble, ces électrons vont s’écouler du côté de type p dans le côté de type n, perdent de l’énergie tout en se déplaçant dans le circuit externe, puis reviennent dans le matériau de type p ils peuvent à nouveau se combiner avec le trou de bande de valence qu’ils ont laissé derrière eux. De cette manière, la lumière solaire crée un courant électrique.

Dans tout semi-conducteur, la bande interdite signifie que seuls les photons ayant cette quantité d’énergie ou plus contribueront à la production d’un courant. Dans le cas du silicium, la majorité de la lumière visible du rouge au violet a une énergie suffisante pour que cela se produise. Malheureusement, les photons à plus haute énergie, ceux qui se trouvent à l’extrémité bleue et violette du spectre, ont suffisamment d’énergie pour traverser la bande interdite; Bien qu’une partie de cette énergie supplémentaire soit transférée dans les électrons, la plus grande partie est gaspillée sous forme de chaleur. Un autre problème est que, pour avoir une chance raisonnable de capturer un photon, la couche de type n doit être assez épaisse. Cela augmente également les chances qu’un électron fraîchement éjecté rencontre un trou précédemment créé dans le matériau avant d’atteindre la jonction pn. Ces effets produisent une limite supérieure à l’efficacité des cellules solaires au silicium, actuellement d’environ 12 à 15% pour les modules communs et jusqu’à 25% pour les meilleures cellules de laboratoire (33,16% est l’efficacité maximale théorique des cellules solaires à bande unique, voir Shockley). –Queisser limite.).

Le plus gros problème de l’approche conventionnelle est le coût; Les cellules solaires nécessitent une couche de silicium dopé relativement épaisse afin d’obtenir des taux de capture de photons raisonnables, et le traitement du silicium est coûteux. Il y a eu plusieurs approches différentes pour réduire ce coût au cours de la dernière décennie, notamment les approches par couches minces, mais à ce jour elles ont connu une application limitée en raison d’une variété de problèmes pratiques. Un autre axe de recherche a été d’améliorer considérablement l’efficacité grâce à l’approche à jonctions multiples, même si ces cellules coûtent très cher et ne conviennent que pour les déploiements commerciaux de grande envergure. De manière générale, les types de cellules adaptées au déploiement sur les toits n’ont pas changé de manière significative en termes d’efficacité, bien que les coûts aient quelque peu diminué en raison d’une augmentation de l’offre.

Cellules solaires sensibilisées aux colorants
À la fin des années 1960, on a découvert que les colorants organiques éclairés peuvent générer de l’électricité aux électrodes d’oxyde dans les cellules électrochimiques. Dans un effort pour comprendre et simuler les processus primaires de la photosynthèse, le phénomène a été étudié à l’Université de Californie à Berkeley avec de la chlorophylle extraite d’épinards (approche bio-mimétique ou bionique). Sur la base de ces expériences, la production d’énergie électrique via le principe de la cellule solaire de sensibilisation aux colorants (DSSC) a été démontrée et discutée en 1972. L’instabilité de la cellule solaire à colorant a été identifiée comme un défi majeur. Son efficacité pourrait être améliorée au cours des deux décennies suivantes en optimisant la porosité de l’électrode préparée à partir de poudre d’oxyde fine, mais l’instabilité restait un problème.

Un DSSC moderne est composé d’une couche poreuse de nanoparticules de dioxyde de titane, recouvertes d’un colorant moléculaire qui absorbe la lumière du soleil, comme la chlorophylle dans les feuilles vertes. Le dioxyde de titane est immergé dans une solution électrolytique, au-dessus de laquelle se trouve un catalyseur à base de platine. Comme dans une pile alcaline conventionnelle, une anode (le dioxyde de titane) et une cathode (le platine) sont placées de part et d’autre d’un conducteur liquide (l’électrolyte).

La lumière du soleil passe à travers l’électrode transparente dans la couche de colorant où elle peut exciter des électrons qui circulent ensuite dans le dioxyde de titane. Les électrons circulent vers l’électrode transparente où ils sont recueillis pour alimenter une charge. Après avoir traversé le circuit externe, ils sont réintroduits dans la cellule sur une électrode métallique à l’arrière, circulant dans l’électrolyte. L’électrolyte transporte ensuite les électrons vers les molécules de colorant.

Les cellules solaires à colorant séparent les deux fonctions fournies par le silicium dans une conception cellulaire classique. Normalement, le silicium sert à la fois de source de photoélectrons et de champ électrique pour séparer les charges et créer un courant. Dans la cellule solaire à colorant, la majeure partie du semi-conducteur est utilisée uniquement pour le transport de charge, les photoélectrons sont fournis à partir d’un colorant photosensible séparé. La séparation de charge se produit à la surface entre le colorant, le semi-conducteur et l’électrolyte.

Les molécules de colorant sont assez petites (taille nanométrique). Par conséquent, pour capturer une quantité raisonnable de lumière incidente, la couche de molécules de colorant doit être assez épaisse et beaucoup plus épaisse que les molécules elles-mêmes. Pour résoudre ce problème, un nanomatériau est utilisé comme support pour contenir un grand nombre de molécules de colorant dans une matrice 3D, augmentant ainsi le nombre de molécules pour une surface donnée de la cellule. Dans les conceptions existantes, cet échafaudage est fourni par le matériau semi-conducteur, qui sert à double usage.

Construction
Dans le cas du design original de Grätzel et O’Regan, la cellule comporte 3 parties principales. Sur le dessus se trouve une anode transparente en dioxyde d’étain dopé au fluorure (SnO2: F) déposée à l’arrière d’une plaque (généralement en verre). Au dos de cette plaque conductrice se trouve une fine couche de dioxyde de titane (TiO2) qui se transforme en une structure extrêmement poreuse avec une surface extrêmement élevée. Le (TiO2) est lié chimiquement par un processus appelé frittage. Le TiO2 n’absorbe qu’une petite fraction des photons solaires (ceux des UV). La plaque est ensuite immergée dans un mélange d’un colorant photosensible ruthénium-polypyridine (également appelé sensibilisateur moléculaire) et d’un solvant. Après avoir trempé le film dans la solution de colorant, une fine couche de colorant est laissée liée de manière covalente à la surface du TiO2. La liaison est soit une liaison ester, chélatante ou pontante bidentée.

Une plaque séparée est ensuite réalisée avec une couche mince de l’électrolyte d’iodure étalée sur une feuille conductrice, généralement du platine. Les deux plaques sont ensuite jointes et scellées ensemble pour empêcher la fuite de l’électrolyte. La construction est assez simple pour que des kits de loisirs soient disponibles pour les construire à la main. Bien qu’ils utilisent un certain nombre de matériaux « avancés », ils sont peu coûteux par rapport au silicium nécessaire pour les cellules normales, car ils ne nécessitent aucune étape de fabrication coûteuse. Le TiO2, par exemple, est déjà largement utilisé comme base de peinture.

L’un des dispositifs DSSC efficaces utilise un colorant moléculaire à base de ruthénium, par exemple [Ru (4,4′-dicarboxy-2,2′-bipyridine) 2 (NCS) 2] (N3), lié à une photoanode via des fragments carboxylates. . La photoanode est constituée d’un film de 12 µm d’épaisseur constitué de nanoparticules de TiO2 transparentes de 10 à 20 nm de diamètre, recouvertes d’un film de 4 µm d’épaisseur beaucoup plus grand (diamètre de 400 nm) qui diffuse les photons dans le film transparent. Le colorant excité injecte rapidement un électron dans le TiO2 après absorption de la lumière. L’électron injecté diffuse à travers le réseau de particules frittées à collecter au niveau de l’électrode transparente en oxyde conducteur (TCO), tandis que le colorant est régénéré par réduction par une navette redox, I3 / I, dissoute dans une solution. La diffusion de la forme oxydée de la navette vers la contre-électrode complète le circuit.

Mécanisme des DSSC
Les principaux processus qui se produisent dans un DSSC

Étape 1: Les étapes principales suivantes convertissent les photons (lumière) en courant:

Le photon incident est absorbé par les photosensibilisateurs complexes de Ru adsorbés sur la surface de TiO2.
Les photosensibilisateurs sont excités de l’état fondamental (S) à l’état excité (S ∗). Les électrons excités sont injectés dans la bande de conduction de l’électrode TiO2. Cela se traduit par l’oxydation du photosensibilisateur (S +).

S + hν → S ∗ (1)

(2)

Les électrons injectés dans la bande de conduction du TiO2 sont transportés entre les nanoparticules de TiO2 avec une diffusion vers le contact arrière (TCO). Et les électrons atteignent finalement la contre-électrode à travers le circuit.
Le photosensibilisateur oxydé (S +) accepte les électrons du médiateur d’oxydo-réduction ionique conduisant à la régénération de l’état fondamental (S), et deux I −- sont oxydés en iode élémentaire qui réagit avec I− à l’état oxydé I3−.
S + + e− → S (3)

Le médiateur d’oxydo-oxydation oxydé I3− diffuse vers la contre-électrode puis est réduit en ions I−.
I3− + 2 e− → 3 I− (4)

L’efficacité d’un DSSC dépend de quatre niveaux d’énergie du composant: l’état excité (approximativement LUMO) et l’état fondamental (HOMO) du photosensibilisateur, le niveau de Fermi de l’électrode TiO2 et le potentiel redox du médiateur (I− / I3−) dans l’électrolyte.

Morphologie de type nanoplant
En DSSC, les électrodes étaient constituées de nanoparticules semi-conductrices frittées, principalement du TiO2 ou du ZnO. Ces DSSC à nanoparticules reposent sur une diffusion limitée aux pièges à travers les nanoparticules semi-conductrices pour le transport des électrons. Cela limite l’efficacité de l’appareil car il s’agit d’un mécanisme de transport lent. La recombinaison est plus susceptible de se produire à des longueurs d’onde de rayonnement plus longues. De plus, le frittage de nanoparticules nécessite une température élevée d’environ 450 ° C, ce qui limite la fabrication de ces cellules à des substrats solides robustes et rigides. Il a été prouvé que l’efficacité du DSSC augmente si l’électrode frittée en nanoparticules est remplacée par une électrode spécialement conçue présentant une morphologie exotique de type «nanoplant».

Opération
La lumière solaire pénètre dans la cellule par le contact supérieur transparent SnO2: F, frappant le colorant à la surface du TiO2. Les photons frappant le colorant avec suffisamment d’énergie pour être absorbés créent un état excité du colorant, à partir duquel un électron peut être « injecté » directement dans la bande de conduction du TiO2. De là, il se déplace par diffusion (à la suite d’un gradient de concentration d’électrons) jusqu’à l’anode claire sur le dessus.

Pendant ce temps, la molécule de colorant a perdu un électron et la molécule se décompose si aucun autre électron n’est fourni. Le colorant se sépare l’un de l’iodure dans l’électrolyte en dessous du TiO2, l’oxydant en triiodure. Cette réaction se produit assez rapidement par rapport au temps nécessaire à l’électron injecté pour se recombiner avec la molécule de colorant oxydée, empêchant cette réaction de recombinaison qui court-circuite efficacement la cellule solaire.

Le triiodure récupère alors son électron manquant en diffusant mécaniquement au fond de la cellule, où la contre-électrode réintroduit les électrons après avoir traversé le circuit externe.

Efficacité
Plusieurs mesures importantes sont utilisées pour caractériser les cellules solaires. Le plus évident est la quantité totale d’énergie électrique produite pour une quantité donnée d’énergie solaire qui brille sur la cellule. Exprimé en pourcentage, il s’agit de l’efficacité de conversion solaire. L’énergie électrique est le produit du courant et de la tension, de sorte que les valeurs maximales pour ces mesures sont également importantes, respectivement Jsc et Voc. Enfin, pour comprendre la physique sous-jacente, l’efficacité quantique est utilisée pour comparer la probabilité qu’un photon (d’une énergie particulière) crée un électron.

En termes d’efficacité quantique, les DSSC sont extrêmement efficaces. En raison de leur « profondeur » dans la nanostructure, il y a de très fortes chances qu’un photon soit absorbé et que les colorants les convertissent très efficacement en électrons. La plupart des petites pertes qui existent dans les DSSC sont dues à des pertes de conduction dans le TiO2 et l’électrode transparente, ou à des pertes optiques dans l’électrode avant. Le rendement quantique global de la lumière verte est d’environ 90%, les «pertes» de 10% étant largement dues aux pertes optiques dans l’électrode supérieure. L’efficacité quantique des conceptions traditionnelles varie en fonction de leur épaisseur, mais est à peu près la même que celle du DSSC.

En théorie, la tension maximale générée par une telle cellule est simplement la différence entre le niveau (quasi-) de Fermi du TiO2 et le potentiel redox de l’électrolyte, environ 0,7 V dans des conditions d’éclairage solaire (Voc). C’est-à-dire que si un DSSC illuminé est connecté à un voltmètre dans un « circuit ouvert », il devrait lire environ 0,7 V. En termes de tension, les DSSC offrent un Voc légèrement supérieur au silicium, environ 0,7 V contre 0,6 V. différence assez petite, de sorte que les différences réelles sont dominées par la production actuelle, Jsc.

Bien que le colorant soit très efficace pour convertir les photons absorbés en électrons libres dans le TiO2, seuls les photons absorbés par le colorant produisent finalement du courant. La vitesse d’absorption des photons dépend du spectre d’absorption de la couche de TiO2 sensibilisée et du spectre du flux solaire. Le chevauchement entre ces deux spectres détermine le photocourant maximal possible. Les molécules de colorant généralement utilisées ont généralement une absorption plus faible dans la partie rouge du spectre que le silicium, ce qui signifie que moins de photons à la lumière du soleil sont utilisables pour la génération actuelle. Ces facteurs limitent le courant généré par un DSSC, à titre de comparaison, une cellule solaire traditionnelle à base de silicium offre environ 35 mA / cm2, alors que les DSSC actuels offrent environ 20 mA / cm2.

L’efficacité globale de conversion de puissance maximale pour les DSSC actuels est d’environ 11%. Le record actuel pour les prototypes est de 15%.

Dégradation
Les DSSC se dégradent lorsqu’ils sont exposés au rayonnement ultraviolet. En 2014, l’infiltration d’air de la couche amorphe couramment utilisée de Spiro-MeOTAD a été identifiée comme la principale cause de la dégradation, plutôt que de l’oxydation. Les dégâts pourraient être évités en ajoutant une barrière appropriée.

La couche barrière peut comprendre des stabilisants UV et / ou des chromophores luminescents absorbant les UV (qui émettent à des longueurs d’onde plus longues) et des antioxydants pour protéger et améliorer l’efficacité de la cellule.

Avantages
Les DSSC sont actuellement la technologie solaire la plus efficace de troisième génération (2005 pour la recherche sur l’énergie solaire de base) 16. Les autres technologies de couches minces se situent généralement entre 5% et 13% et les panneaux de silicium commerciaux à faible coût traditionnels fonctionnent entre 14% et 17%. Cela rend les DSSC attrayants en remplacement des technologies existantes dans les applications « à faible densité » telles que les capteurs solaires sur toiture, où la robustesse mécanique et la légèreté du collecteur sans verre constituent un avantage majeur. Ils ne sont peut-être pas aussi attrayants pour les déploiements à grande échelle, où les cellules à haut rendement et plus coûteuses sont plus viables, mais même de petites augmentations de l’efficacité de la conversion DSSC pourraient également les rendre utiles.

Il existe un autre domaine où les DSSC sont particulièrement attractifs. Le processus d’injection d’un électron directement dans le TiO2 est qualitativement différent de celui qui se produit dans une cellule traditionnelle, où l’électron est « promu » dans le cristal d’origine. En théorie, étant donné les faibles taux de production, l’électron à haute énergie dans le silicium pourrait se combiner avec son propre trou, dégageant un photon (ou une autre forme d’énergie) et ne générant aucun courant. Bien que ce cas particulier puisse ne pas être commun, il est assez facile pour un électron généré dans une autre molécule de percer un trou laissé par une photoexcitation précédente.

En comparaison, le processus d’injection utilisé dans le DSSC n’introduit pas de trou dans le TiO2, seulement un électron supplémentaire. Bien que l’électron puisse se recombiner de manière énergétique dans le colorant, la vitesse à laquelle il se produit est très lente par rapport à la vitesse à laquelle le colorant récupère un électron de l’électrolyte environnant. La recombinaison directement du TiO2 à l’espèce dans l’électrolyte est également possible bien que, encore une fois, pour les dispositifs optimisés, cette réaction soit plutôt lente. Au contraire, le transfert d’électrons de l’électrode revêtue de platine aux espèces dans l’électrolyte est nécessairement très rapide.

Grâce à ces « cinétiques différentielles » favorables, les DSSC fonctionnent même dans des conditions de faible luminosité. Les DSSC sont donc capables de travailler sous un ciel nuageux et une lumière solaire non directe, alors que les conceptions traditionnelles subiraient une «coupure» à une limite inférieure d’éclairage, lorsque la mobilité des porteurs de charge est faible et que la recombinaison devient un problème majeur. Le seuil est si bas qu’ils sont même proposés pour une utilisation en intérieur, collectant de l’énergie pour les petits appareils à partir des lumières de la maison.

Un avantage pratique, partagé par un DSSC avec la plupart des technologies à couche mince, est que la robustesse mécanique de la cellule conduit indirectement à des rendements plus élevés à des températures plus élevées. Dans tout semi-conducteur, l’augmentation de la température favorisera «mécaniquement» certains électrons dans la bande de conduction. La fragilité des cellules au silicium traditionnelles exige qu’elles soient protégées des éléments, généralement en les enfermant dans une boîte en verre similaire à une serre, avec un support métallique pour la résistance. De tels systèmes subissent une diminution notable de l’efficacité lorsque les cellules se réchauffent en interne. Les DSSC sont normalement construits avec seulement une fine couche de plastique conducteur sur la couche avant, leur permettant de rayonner beaucoup plus facilement la chaleur et donc de fonctionner à des températures internes plus basses.

Désavantages
L’inconvénient majeur de la conception du DSSC est l’utilisation de l’électrolyte liquide, qui présente des problèmes de stabilité de la température. À basse température, l’électrolyte peut geler, ce qui met fin à la production d’électricité et peut entraîner des dommages physiques. Des températures plus élevées entraînent une dilatation du liquide, ce qui rend le scellement des panneaux très problématique. Un autre inconvénient est que le ruthénium (colorant), le platine (catalyseur) et le verre ou le plastique conducteurs (contact) coûteux sont nécessaires pour produire un DSSC. Un troisième inconvénient majeur est que la solution d’électrolyte contient des composés organiques volatils (ou COV), des solvants qui doivent être soigneusement scellés car ils sont dangereux pour la santé humaine et l’environnement. Ceci, ajouté au fait que les solvants pénètrent dans les plastiques, a empêché une application à grande échelle en extérieur et une intégration dans une structure flexible.

Le remplacement de l’électrolyte liquide par un solide constitue un domaine de recherche majeur. Des expériences récentes utilisant des sels fondus solidifiés se sont révélées prometteuses, mais souffrent actuellement d’une dégradation plus importante pendant une opération continue et ne sont pas flexibles.

Photocathodes et cellules en tandem
Les cellules solaires sensibilisées aux colorants fonctionnent comme une photoanode (n-DSC), où le photocourant résulte de l’injection d’électrons par le colorant sensibilisé. Les photocathodes (p-DSC) fonctionnent en mode inverse par rapport au n-DSC conventionnel, où l’excitation de colorant est suivie d’un transfert rapide d’électrons d’un semi-conducteur de type p au colorant (injection de trous sensibilisés par un colorant au lieu d’une injection électronique) . Ces P-DSC et n-DSC peuvent être combinés pour construire des cellules solaires en tandem (pn-DSC) et l’efficacité théorique des DSC en tandem dépasse largement celle des DSC à une jonction.

Une cellule en tandem standard consiste en une n-DSC et une p-DSC dans une configuration sandwich simple avec une couche d’électrolyte intermédiaire. n-DSC et p-DSC sont connectés en série, ce qui implique que le photocourant résultant sera contrôlé par la photoélectrode la plus faible, alors que les photovoltages sont additifs. Ainsi, la mise en correspondance des photocourants est très importante pour la construction de DSC pn tandem très efficaces. Cependant, contrairement aux n-DSC, la recombinaison rapide des charges suite à l’injection de trous sensibilisés par un colorant entraînait généralement de faibles photocourants dans le p-DSC et entravait ainsi l’efficacité de l’ensemble du dispositif.

Les chercheurs ont découvert que l’utilisation de colorants comprenant un perenenemonoimide (PMI) en tant qu’accepteur et un oligothiophène couplé à la triphénylamine en tant que donneur améliorent grandement les performances du p-DSC en réduisant le taux de recombinaison après injection de trous sensibilisés par colorant. Les chercheurs ont construit un dispositif DSC en tandem avec NiO côté p-DSC et TiO2 côté n-DSC. La mise en correspondance des photocourants a été réalisée par ajustement des épaisseurs de film NiO et TiO2 afin de contrôler les absorptions optiques et donc de correspondre aux photocourants des deux électrodes. L’efficacité de conversion d’énergie de l’appareil est de 1,91%, ce qui dépasse l’efficacité de ses composants individuels, mais reste nettement inférieure à celle des appareils n-DSC haute performance (6% à 11%). Les résultats sont toujours prometteurs car le DSC en tandem était en soi rudimentaire. L’amélioration spectaculaire des performances du P-DSC peut éventuellement conduire à des dispositifs en tandem beaucoup plus efficaces que les seuls D-DSC.

Développement
Les colorants utilisés dans les premières cellules expérimentales (vers 1995) n’étaient sensibles que dans la partie haute fréquence du spectre solaire, dans les UV et le bleu. Des versions plus récentes ont été rapidement introduites (vers 1999) avec une réponse en fréquence beaucoup plus large, notamment « triscarboxy-ruthénium-terpyridine » [Ru (4,4 ‘, 4 « – (COOH) 3-terpy) (NCS) 3], qui est efficace directement dans la gamme des basses fréquences de la lumière rouge et infrarouge.La large réponse spectrale se traduit par une couleur brun-noir profond, appelée simplement « colorant noir ». Les colorants ont une excellente chance de convertir un photon dans un électron, à l’origine d’environ 80% mais améliorant la conversion presque parfaite dans les colorants plus récents, le rendement global est d’environ 90%, les 10% perdus étant largement dus aux pertes optiques dans l’électrode supérieure.

Une cellule solaire doit être capable de produire de l’électricité pendant au moins vingt ans, sans diminution significative de l’efficacité (durée de vie). Le système « colorant noir » a été soumis à 50 millions de cycles, soit l’équivalent de dix années d’exposition au soleil en Suisse. Aucune baisse de performance discernable n’a été observée. Cependant, le colorant est sujet à une dégradation dans des conditions de forte luminosité. Au cours de la dernière décennie, un vaste programme de recherche a été mené pour répondre à ces préoccupations. Les nouveaux colorants comprenaient le tétrocyanoborate de [1-éthyl-3-méthylimidazolium [EMIB (CN) 4] qui est extrêmement stable à la lumière et à la température, le cuivre-disélénium [Cu (In, GA) Se2] qui offre des rendements de conversion supérieurs propriétés spéciales.

Les DSSC sont encore au début de leur cycle de développement. Des gains d’efficacité sont possibles et ont récemment entamé des études plus étendues. Celles-ci incluent l’utilisation de points quantiques pour la conversion de lumière à haute énergie (fréquence plus élevée) en plusieurs électrons, l’utilisation d’électrolytes à l’état solide pour une meilleure réponse thermique et la modification du dopage du TiO2 pour mieux l’adapter à l’électrolyte utilisé.

Nouveaux développements

2010
Des chercheurs de l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne et de l’Université du Québec à Montréal affirment avoir surmonté deux des problèmes majeurs de la DSC:

Des « nouvelles molécules » ont été créées pour l’électrolyte, donnant un liquide ou un gel transparent et non corrosif, ce qui peut augmenter la tension photoélectrique et améliorer le rendement et la stabilité de la cellule.
À la cathode, le platine a été remplacé par du sulfure de cobalt, beaucoup moins coûteux, plus efficace, plus stable et plus facile à produire en laboratoire.
2011
Dyesol et Tata Steel Europe ont annoncé en juin le développement du plus grand module photovoltaïque sensibilisé au colorant au monde, imprimé sur une ligne continue en acier.

Dyesol et le CSIRO ont annoncé en octobre la réussite du deuxième jalon dans le projet conjoint Dyesol / CSIRO. Le directeur de Dyesol, Gordon Thompson, a déclaré: « Les matériaux développés au cours de cette collaboration ont le potentiel de faire progresser de manière significative la commercialisation de DSC dans une gamme d’applications où la performance et la stabilité sont essentielles. Dyesol est extrêmement encouragé par les avancées des molécules cibles. Cela crée une voie vers l’utilisation commerciale immédiate de ces nouveaux matériaux.  »

Dyesol et Tata Steel Europe ont annoncé en novembre le développement ciblé de l’acier solaire BIPV Competitive Parity Grid qui ne nécessite pas de tarifs de rachat subventionnés par le gouvernement. La toiture «Solar Steel» TATA-Dyesol est en cours d’installation sur le SBEC (Centre de l’enveloppe du bâtiment durable) à Shotton, au Pays de Galles.

2012
Les chercheurs de la Northwestern University ont annoncé une solution à un problème principal des DSSC, à savoir la difficulté d’utiliser et de contenir l’électrolyte liquide et la durée de vie relativement courte du dispositif. Ceci est réalisé grâce à l’utilisation de la nanotechnologie et à la conversion de l’électrolyte liquide en solide. L’efficacité actuelle est environ la moitié de celle des cellules en silicium, mais les cellules sont légères et leur coût de production est potentiellement bien inférieur.

2013
Au cours des 5 à 10 dernières années, un nouveau type de DSSC a été mis au point – la cellule solaire à colorant à l’état solide. Dans ce cas, l’électrolyte liquide est remplacé par un ou plusieurs matériaux conducteurs de trous solides. De 2009 à 2013, l’efficacité des DSSC à semi-conducteurs a considérablement augmenté, passant de 4% à 15%. Michael Graetzel a annoncé la fabrication de DSSC à l’état solide avec une efficacité de 15,0%, obtenue au moyen d’un colorant hybride pérovskite CH3NH3PbI3, déposé ensuite à partir des solutions séparées de CH3NH3I et de PbI2.

Première intégration architecturale au nouveau centre de congrès de l’EPFL, en partenariat avec Romande Energie. La surface totale sera de 300 mètres carrés, en 1400 modules de 50 cm x 35 cm. Conçu par les artistes Daniel Schlaepfer et Catherine Bolle.

2018
Les chercheurs ont étudié le rôle des résonances de plasmon de surface présentes sur les nanorodes d’or dans la performance des cellules solaires sensibilisées par un colorant. Ils ont constaté qu’avec une augmentation de la concentration dans les nanorodes, l’absorption de la lumière augmentait linéairement; cependant, l’extraction de charge était également sensible à la concentration. Avec une concentration optimisée, ils ont constaté que le rendement global de conversion de puissance passait de 5,31 à 8,86% pour les cellules solaires à colorant Y123.

La synthèse de la nanostructure de TiO2 à une dimension directement sur des substrats de verre à base d’oxyde d’étain dopé au fluor a réussi par une réaction solvothermale à deux arrêts. De plus, grâce à un traitement au sol de TiO2, les performances des cellules de nanofils de TiO2 doubles peuvent être améliorées pour atteindre un rendement de conversion de puissance de 7,65%.

Des contre-électrodes en acier inoxydable pour DSSC ont été rapportées, ce qui réduit encore le coût par rapport à la contre-électrode conventionnelle à base de platine et convient à une application en extérieur.

Les chercheurs de l’EPFL ont fait progresser les DSSC basés sur les complexes de cuivre redox électrolytes, qui ont atteint une efficacité de 13,1% dans des conditions standard AM1.5G, 100 mW / cm2 et une efficacité de 32% sous 1000 lux d’éclairage intérieur.

Introduction sur le marché
Plusieurs fournisseurs commerciaux promettent la disponibilité des DSC dans un avenir proche:

Dyesol a officiellement ouvert ses nouvelles installations de fabrication à Queanbeyan, en Australie, le 7 octobre 2008. Elle a ensuite annoncé des partenariats avec Tata Steel (TATA-Dyesol) et Pilkington Glass (Dyetec-Solar) pour le développement et la fabrication à grande échelle de DSC BIPV. Dyesol a également établi des relations de travail avec Merck, Umicore, CSIRO, le ministère japonais de l’économie et du commerce, Singapore Aerospace Manufacturing et une coentreprise avec TIMO Korea (Dyesol-TIMO).

Solaronix, une société suisse spécialisée dans la production de matériaux DSC depuis 1993, a étendu ses locaux en 2010 pour accueillir une ligne pilote de fabrication de modules DSC.

SolarPrint a été fondée en Irlande en 2008 par le Dr. Mazhar Bari, Andre Fernon et Roy Horgan. SolarPrint était la première entité commerciale basée en Irlande impliquée dans la fabrication de technologies photovoltaïques. L’innovation de SolarPrint était la solution à l’électrolyte à base de solvant qui a jusqu’à présent interdit la commercialisation de masse du DSSC. La société a été mise sous séquestre en 2014 et a été liquidée.

G24innovations fondée en 2006, basée à Cardiff, South Wales, Royaume-Uni. Le 17 octobre 2007, a revendiqué la production des premiers films minces sensibilisés aux colorants de qualité commerciale.
Sony Corporation a mis au point des cellules solaires sensibilisées aux colorants avec un rendement de conversion énergétique de 10%, un niveau jugé nécessaire pour une utilisation commerciale.

Tasnee conclut un accord d’investissement stratégique avec Dyesol.

H.Glass a été fondée en 2011 en Suisse.H.Glass a déployé des efforts considérables pour créer un processus industriel pour la technologie DSSC – les premiers résultats ont été présentés à l’EXPO 2015 à Milan au pavillon autrichien. La tour scientifique en Autriche – la plus grande installation de DSSC au monde – réalisée par les technologies SFL est une étape importante pour DSSC.