Cella solare sensibilizzata al colorante

Una cella solare sensibilizzata con colorante (cella DSSC, DSC, DYSC o Grätzel) è una cella solare a basso costo appartenente al gruppo di celle solari a film sottile. Si basa su un semiconduttore formato tra un anodo foto-sensibilizzato e un elettrolita, un sistema fotoelettrochimico. La versione moderna di una cella solare colorante, nota anche come cella di Grätzel, fu originariamente co-inventata nel 1988 da Brian O’Regan e Michael Grätzel all’Università di Berkeley e questo lavoro fu successivamente sviluppato dagli scienziati sopra citati all’École Polytechnique Fédérale de Losanna fino alla pubblicazione del primo DSSC ad alta efficienza nel 1991. Michael Grätzel ha ricevuto il premio Millennium Technology Prize 2010 per questa invenzione.

Il DSSC ha un numero di caratteristiche interessanti; è semplice da utilizzare con le tradizionali tecniche di stampa in rotoli, è semi-flessibile e semitrasparente, offre una varietà di usi non applicabili ai sistemi a base di vetro e la maggior parte dei materiali utilizzati è a basso costo. In pratica è stato difficile eliminare un certo numero di materiali costosi, in particolare platino e rutenio, e l’elettrolita liquido rappresenta una seria sfida per rendere una cella adatta all’uso in qualsiasi condizione atmosferica. Sebbene la sua efficienza di conversione sia inferiore alle migliori celle a film sottile, in teoria il suo rapporto prezzo / prestazioni dovrebbe essere abbastanza buono da consentire loro di competere con la generazione elettrica di combustibili fossili raggiungendo la parità di rete. Le applicazioni commerciali, bloccate a causa di problemi di stabilità chimica, sono previste nella tabella di marcia per il fotovoltaico dell’Unione europea per contribuire in modo significativo alla produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili entro il 2020.

Tecnologia attuale: celle solari a semiconduttore
In un semiconduttore a stato solido tradizionale, una cella solare è costituita da due cristalli drogati, uno drogato con impurità di tipo n (semiconduttore di tipo n), che aggiunge ulteriori elettroni a banda di conduzione libera e l’altro drogato con impurità di tipo p ( semiconduttore di tipo p), che aggiunge ulteriori buchi di elettroni. Quando vengono messi in contatto, alcuni elettroni nella porzione di tipo n scorrono nel tipo p per “riempire” gli elettroni mancanti, noti anche come fori di elettroni. Alla fine abbastanza elettroni scorreranno attraverso il confine per pareggiare i livelli di Fermi dei due materiali. Il risultato è una regione all’interfaccia, la giunzione p-n, in cui i portatori di carica sono impoveriti e / o accumulati su ciascun lato dell’interfaccia. Nel silicio, questo trasferimento di elettroni produce una barriera potenziale di circa 0,6 a 0,7 V.

Quando sono collocati al sole, i fotoni della luce solare possono eccitare gli elettroni sul lato di tipo p del semiconduttore, un processo noto come fotoeccitazione. Nel silicio, la luce solare può fornire energia sufficiente per spingere un elettrone fuori dalla banda di valenza a energia più bassa nella banda di conduzione ad alta energia. Come suggerisce il nome, gli elettroni nella banda di conduzione sono liberi di muoversi attorno al silicio. Quando un carico viene collocato attraverso la cella nel suo complesso, questi elettroni fluiscono dal lato di tipo p verso il lato di tipo n, perdono energia mentre si muovono attraverso il circuito esterno, e quindi ritornano nel materiale di tipo p dove possono ancora una volta ri-combinarsi con il buco della banda di valenza che hanno lasciato dietro di sé. In questo modo, la luce solare crea una corrente elettrica.

In qualsiasi semiconduttore, il gap di banda significa che solo i fotoni con quella quantità di energia, o più, contribuiranno a produrre una corrente. Nel caso del silicio, la maggior parte della luce visibile dal rosso al viola ha energia sufficiente per farlo accadere. Sfortunatamente i fotoni di energia più alta, quelli all’estremità blu e viola dello spettro, hanno più di energia sufficiente per attraversare il gap di banda; anche se parte di questa energia extra viene trasferita negli elettroni, la maggior parte viene sprecata sotto forma di calore. Un altro problema è che per avere una ragionevole possibilità di catturare un fotone, lo strato di tipo n deve essere abbastanza spesso. Ciò aumenta anche la possibilità che un elettrone appena espulso incontri un foro precedentemente creato nel materiale prima di raggiungere la giunzione p-n. Questi effetti producono un limite superiore all’efficienza delle celle solari al silicio, attualmente intorno al 12-15% per i moduli comuni e fino al 25% per le migliori celle di laboratorio (il 33,16% è la massima efficienza teorica per celle solari a gap a banda singola, vedi Shockley -Queisser limit.).

Di gran lunga il problema più grande con l’approccio convenzionale è il costo; le celle solari richiedono uno strato relativamente spesso di silicio drogato per avere ragionevoli velocità di acquisizione di fotoni, e l’elaborazione di silicio è costosa. Ci sono stati diversi approcci per ridurre questo costo nell’ultimo decennio, in particolare gli approcci a film sottile, ma fino ad oggi hanno visto un’applicazione limitata a causa di una varietà di problemi pratici. Un’altra linea di ricerca è stata quella di migliorare drasticamente l’efficienza attraverso l’approccio multi-giunzione, sebbene queste celle siano molto costose e adatte solo a grandi distribuzioni commerciali. In termini generali, i tipi di celle idonee per l’installazione su tetto non sono cambiati in modo significativo in termini di efficienza, sebbene i costi siano leggermente diminuiti a causa dell’aumento dell’offerta.

Celle solari sensibilizzate alla tintura
Alla fine degli anni ’60 si scoprì che i coloranti organici illuminati possono generare elettricità con elettrodi di ossido in celle elettrochimiche. Nello sforzo di comprendere e simulare i processi primari nella fotosintesi, il fenomeno è stato studiato all’Università della California a Berkeley con la clorofilla estratta dagli spinaci (approccio biomimetico o bionico). Sulla base di tali esperimenti, la generazione di energia elettrica attraverso il principio DSSC (Dye Sensitization Solar Cell) è stata dimostrata e discussa nel 1972. L’instabilità della cella solare colorante è stata identificata come una sfida principale. La sua efficienza potrebbe, nel corso dei prossimi due decenni, essere migliorata ottimizzando la porosità dell’elettrodo preparato dalla polvere di ossido fine, ma l’instabilità rimase un problema.

Un DSSC moderno è composto da uno strato poroso di nanoparticelle di biossido di titanio, ricoperto da un colorante molecolare che assorbe la luce solare, come la clorofilla nelle foglie verdi. Il biossido di titanio viene immerso sotto una soluzione elettrolitica, al di sopra del quale si trova un catalizzatore a base di platino. Come in una batteria alcalina convenzionale, un anodo (il biossido di titanio) e un catodo (il platino) sono posti su entrambi i lati di un conduttore liquido (l’elettrolito).

La luce del sole passa attraverso l’elettrodo trasparente nello strato di colorante dove può eccitare elettroni che poi fluiscono nel biossido di titanio. Gli elettroni fluiscono verso l’elettrodo trasparente dove vengono raccolti per alimentare un carico. Dopo essere passati attraverso il circuito esterno, vengono reintrodotti nella cella su un elettrodo metallico sul retro, che scorre nell’elettrolito. L’elettrolito quindi trasferisce gli elettroni alle molecole del colorante.

Le celle solari sensibilizzate dai coloranti separano le due funzioni fornite dal silicio in un modello di cella tradizionale. Normalmente il silicio agisce come fonte di fotoelettroni, oltre a fornire il campo elettrico per separare le cariche e creare una corrente. Nella cella solare sensibilizzata, la maggior parte del semiconduttore viene utilizzata esclusivamente per il trasporto di carica, i fotoelettroni sono forniti da un colorante fotosensibile separato. La separazione della carica avviene sulle superfici tra il colorante, il semiconduttore e l’elettrolito.

Le molecole del colorante sono piuttosto piccole (di dimensioni nanometriche), quindi per catturare una quantità ragionevole di luce in entrata lo strato di molecole di colorante deve essere reso abbastanza spesso, molto più spesso delle molecole stesse. Per affrontare questo problema, un nanomateriale viene usato come impalcatura per contenere un gran numero di molecole di colorante in una matrice 3-D, aumentando il numero di molecole per ogni data superficie della cellula. Nei progetti esistenti, questo ponteggio è fornito dal materiale semiconduttore, che serve il doppio uso.

Costruzione
Nel caso del design originale di Grätzel e O’Regan, la cella ha 3 parti primarie. Sopra è un anodo trasparente fatto di diossido di stagno drogato con fluoro (SnO2: F) depositato sul retro di una piastra (tipicamente di vetro). Sul retro di questa piastra conduttiva si trova uno strato sottile di biossido di titanio (TiO2), che si forma in una struttura altamente porosa con una superficie estremamente elevata. Il (TiO2) è legato chimicamente da un processo chiamato sinterizzazione. TiO2 assorbe solo una piccola frazione dei fotoni solari (quelli nell’UV). La piastra viene quindi immersa in una miscela di un colorante rutenio-polipiridina fotosensibile (chiamato anche sensibilizzanti molecolari) e un solvente. Dopo aver immerso il film nella soluzione colorante, un sottile strato di colorante viene lasciato legato in modo covalente alla superficie del TiO2. Il legame è un legame estemporaneo, chelante o bidentato.

Viene quindi preparata una piastra separata con un sottile strato di elettrolita ioduro distribuito su un foglio conduttivo, tipicamente metallo di platino. Le due piastre vengono quindi unite e sigillate insieme per evitare perdite di elettrolita. La costruzione è abbastanza semplice che ci sono kit per hobby disponibili per costruirli a mano. Sebbene utilizzino un numero di materiali “avanzati”, questi sono economici rispetto al silicio necessario per le celle normali perché non richiedono costosi passaggi di produzione. Il TiO2, ad esempio, è già ampiamente utilizzato come base di pittura.

Uno dei dispositivi DSSC efficienti utilizza un colorante molecolare a base di rutenio, ad es. [Ru (4,4′-dicarbossi-2,2′-bipiridina) 2 (NCS) 2] (N3), che è legato a un fotoanodo tramite parti carbossiliche. Il fotoanodo è costituito da una pellicola spessa 12 μm di nanoparticelle di TiO2 trasparenti da 10-20 nm di diametro ricoperte da una pellicola di 4 μm di particelle molto più grandi (400 nm di diametro) che rimettono i fotoni nella pellicola trasparente. Il colorante eccitato inietta rapidamente un elettrone nel TiO2 dopo l’assorbimento della luce. L’elettrone iniettato si diffonde attraverso la rete di particelle sinterizzate per essere raccolto nell’elettrodo di conduttore trasparente (TCO) lato anteriore, mentre il colorante viene rigenerato mediante riduzione mediante uno shuttle redox, I3 / I, disciolto in una soluzione. La diffusione della forma ossidata della navetta al controelettrodo completa il circuito.

Meccanismo di DSSC
I principali processi che si verificano in un DSSC

Passaggio 1: i seguenti passaggi principali convertono i fotoni (luce) in corrente:

Il fotone incidente viene assorbito dai fotosensibilizzatori complessi di Ru adsorbiti sulla superficie di TiO2.
I fotosensibilizzatori sono eccitati dallo stato fondamentale (S) allo stato eccitato (S *). Gli elettroni eccitati vengono iniettati nella banda di conduzione dell’elettrodo TiO2. Ciò provoca l’ossidazione del fotosensibilizzatore (S +).

S + hν → S * (1)

(2)

Gli elettroni iniettati nella banda di conduzione del TiO2 vengono trasportati tra le nanoparticelle di TiO2 con diffusione verso il contatto posteriore (TCO). E gli elettroni raggiungono infine il controelettrodo attraverso il circuito.
Il fotosensibilizzatore ossidato (S +) accetta elettroni dal mediatore redox I-ion che porta alla rigenerazione dello stato fondamentale (S), e due I-Ioni sono ossidati a Iodio elementare che reagisce con I- allo stato ossidato, I3-.
S + + e- → S (3)

Il mediatore redox ossidato, I3-, si diffonde verso il controelettrodo e quindi si riduce a ioni I-ion.
I3- + 2 e- → 3 I- (4)

L’efficienza di un DSSC dipende da quattro livelli di energia del componente: lo stato eccitato (circa LUMO) e lo stato fondamentale (HOMO) del fotosensibilizzatore, il livello Fermi dell’elettrodo TiO2 e il potenziale redox del mediatore (I- / I3-) nell’elettrolito.

Morfologia tipo nanoplant
In DSSC, gli elettrodi consistevano di nanoparticelle semiconduttive sinterizzate, principalmente TiO2 o ZnO. Questi DSSC di nanoparticelle si basano su una diffusione limitata dalla trappola attraverso le nanoparticelle di semiconduttori per il trasporto degli elettroni. Ciò limita l’efficienza del dispositivo poiché è un meccanismo di trasporto lento. La ricombinazione è più probabile che si verifichi a lunghezze d’onda più lunghe della radiazione. Inoltre, la sinterizzazione di nanoparticelle richiede una temperatura elevata di circa 450 ° C, che limita la fabbricazione di queste cellule a substrati solidi robusti e rigidi. È stato dimostrato che c’è un aumento nell’efficienza del DSSC, se l’elettrodo di nanoparticelle sinterizzato viene sostituito da un elettrodo appositamente progettato che possiede una morfologia esotica simile a un nanoplant.

operazione
La luce solare entra nella cella attraverso il contatto superiore SnO2: F superiore, colpendo il colorante sulla superficie del TiO2. I fotoni che colpiscono il colorante con energia sufficiente per essere assorbiti creano uno stato eccitato del colorante, dal quale un elettrone può essere “iniettato” direttamente nella banda di conduzione del TiO2. Da lì si muove per diffusione (come risultato di un gradiente di concentrazione di elettroni) verso l’anodo libero in alto.

Nel frattempo, la molecola del colorante ha perso un elettrone e la molecola si decompone se non viene fornito un altro elettrone. Il colorante si stacca da uno ioduro in elettrolita sotto il TiO2, ossidandolo in triioduro. Questa reazione si verifica abbastanza rapidamente rispetto al tempo necessario per ricombinare l’elettrone iniettato con la molecola del colorante ossidato, evitando questa reazione di ricombinazione che potrebbe cortocircuitare efficacemente la cella solare.

Il triioduro recupera quindi il suo elettrone mancante mediante la diffusione meccanica sul fondo della cella, dove il controelettrodo reintroduce gli elettroni dopo essere passati attraverso il circuito esterno.

Efficienza
Diverse misure importanti sono utilizzate per caratterizzare le celle solari. La più ovvia è la quantità totale di energia elettrica prodotta per una data quantità di energia solare che splende sulla cella. Espresso come percentuale, questo è noto come efficienza di conversione solare. L’energia elettrica è il prodotto di corrente e tensione, quindi anche i valori massimi per queste misurazioni sono importanti, rispettivamente Jsc e Voc. Infine, al fine di comprendere la fisica sottostante, l'”efficienza quantica” viene usata per confrontare la possibilità che un fotone (di una particolare energia) crei un elettrone.

In termini di efficienza quantica, i DSSC sono estremamente efficienti. A causa della loro “profondità” nella nanostruttura c’è un’alta probabilità che un fotone venga assorbito e che i coloranti siano molto efficaci nel convertirli in elettroni. La maggior parte delle piccole perdite che esistono nei DSSC sono dovute a perdite di conduzione nel TiO2 e all’elettrodo libero, o perdite ottiche nell’elettrodo anteriore. L’efficienza quantica globale per la luce verde è di circa il 90%, con il 10% “perso” che è ampiamente rappresentato dalle perdite ottiche nell’elettrodo superiore. L’efficienza quantica dei modelli tradizionali varia a seconda del loro spessore, ma è più o meno la stessa del DSSC.

In teoria, la tensione massima generata da una tale cella è semplicemente la differenza tra il livello (quasi-) di Fermi del TiO2 e il potenziale redox dell’elettrolita, circa 0,7 V in condizioni di illuminazione solare (Voc). Cioè, se un DSSC illuminato è collegato a un voltmetro in un “circuito aperto”, leggerebbe circa 0,7 V. In termini di tensione, i DSSC offrono un Voc leggermente più alto del silicio, circa 0,7 V rispetto a 0,6 V. Questo è un differenza piuttosto piccola, quindi le differenze nel mondo reale sono dominate dalla produzione attuale, Jsc.

Sebbene il colorante sia altamente efficiente nel convertire i fotoni assorbiti in elettroni liberi nel TiO2, solo i fotoni assorbiti dal colorante alla fine producono corrente. Il tasso di assorbimento del fotone dipende dallo spettro di assorbimento dello strato di TiO2 sensibilizzato e dallo spettro del flusso solare. La sovrapposizione tra questi due spettri determina la massima propagazione della fotocorrente. Le molecole di colorante usate in genere hanno un assorbimento inferiore nella parte rossa dello spettro rispetto al silicio, il che significa che un numero minore di fotoni alla luce del sole sono utilizzabili per la generazione attuale. Questi fattori limitano la corrente generata da un DSSC, per confronto, una cella solare tradizionale a base di silicio offre circa 35 mA / cm2, mentre gli attuali DSSC offrono circa 20 mA / cm2.

L’efficienza complessiva di conversione della potenza di picco per gli attuali DSSC è di circa l’11%. Il record attuale per i prototipi è del 15%.

Degradazione
I DSSC degradano se esposti a radiazioni ultraviolette. Nel 2014 l’infiltrazione d’aria dello strato Spiro-MeotAD amorfo comunemente usato è stata identificata come la causa principale della degradazione, piuttosto che l’ossidazione. Il danno potrebbe essere evitato aggiungendo una barriera appropriata.

Lo strato barriera può comprendere stabilizzanti UV e / o cromofori luminescenti che assorbono l’UV (che emettono a lunghezze d’onda maggiori) e antiossidanti per proteggere e migliorare l’efficienza della cellula.

vantaggi
I DSSC sono attualmente la più efficiente tecnologia solare di terza generazione (2005 Basic Research Solar Energy Utilization 16) disponibile. Altre tecnologie a film sottile sono in genere comprese tra il 5% e il 13% e i tradizionali pannelli di silicio commerciale a basso costo operano tra il 14% e il 17%. Ciò rende i DSSC attraenti come sostituti delle tecnologie esistenti in applicazioni a “bassa densità” come i collettori solari sul tetto, dove la robustezza meccanica e il peso leggero del collettore senza vetro rappresentano un vantaggio importante. Possono non essere così attraenti per implementazioni su larga scala in cui le celle ad alta efficienza più costose sono più praticabili, ma anche piccoli aumenti nell’efficienza di conversione DSSC potrebbero renderli adatti anche per alcuni di questi ruoli.

C’è un’altra area in cui i DSSC sono particolarmente attraenti. Il processo di iniezione di un elettrone direttamente nel TiO2 è qualitativamente diverso da quello che si verifica in una cella tradizionale, dove l’elettrone è “promosso” all’interno del cristallo originale. In teoria, dati bassi tassi di produzione, l’elettrone ad alta energia nel silicio potrebbe ri-combinarsi con il proprio foro, emettendo un fotone (o altra forma di energia) e causando la generazione di corrente. Anche se questo caso particolare potrebbe non essere comune, è abbastanza facile per un elettrone generato in un’altra molecola colpire un buco lasciato in una precedente fotoincisione.

In confronto, il processo di iniezione utilizzato nel DSSC non introduce un foro nel TiO2, ma solo un elettrone in più. Sebbene sia energeticamente possibile che l’elettrone si ricombini nuovamente nel colorante, la velocità a cui questo si verifica è piuttosto lenta rispetto alla velocità con cui la tintura recupera un elettrone dall’elettrolita circostante. La ricombinazione diretta dal TiO2 alle specie nell’elettrolita è anche possibile sebbene, ancora una volta, per i dispositivi ottimizzati questa reazione sia piuttosto lenta. Al contrario, il trasferimento di elettroni dall’elettrodo rivestito di platino alle specie nell’elettrolito è necessariamente molto veloce.

Come risultato di queste favorevoli “cinetiche differenziali”, i DSSC funzionano anche in condizioni di scarsa illuminazione. I DSSC sono quindi in grado di lavorare sotto cieli nuvolosi e luce solare non diretta, mentre i disegni tradizionali subirebbero un “taglio” ad un limite inferiore di illuminazione, quando la mobilità del portatore di carica è bassa e la ricombinazione diventa un problema importante. Il limite è così basso che vengono addirittura proposti per uso interno, raccogliendo energia per piccoli dispositivi dalle luci di casa.

Un vantaggio pratico, un DSSC condivide con la maggior parte delle tecnologie a film sottile, è che la robustezza meccanica della cella indirettamente porta a maggiori efficienze a temperature più elevate. In qualsiasi semiconduttore, l’aumento della temperatura promuoverà alcuni elettroni nella banda di conduzione “meccanicamente”. La fragilità delle celle di silicio tradizionali richiede che siano protette dagli elementi, in genere racchiudendole in una scatola di vetro simile a una serra, con un supporto metallico per forza. Tali sistemi subiscono notevoli riduzioni di efficienza man mano che le celle si riscaldano internamente. I DSSC sono normalmente costruiti con solo uno strato sottile di plastica conduttiva sullo strato anteriore, consentendo loro di irradiare il calore molto più facilmente, e quindi operare a temperature interne più basse.

svantaggi
Il principale svantaggio del design DSSC è l’uso dell’elettrolita liquido, che ha problemi di stabilità termica. A basse temperature l’elettrolita può congelare, interrompendo la produzione di energia e potenzialmente portando a danni fisici. Temperature più elevate fanno sì che il liquido si espanda, rendendo la sigillatura dei pannelli un problema serio. Un altro svantaggio è che sono necessari costosi rutenio (colorante), platino (catalizzatore) e vetro conduttore o plastica (contatto) per produrre un DSSC. Un terzo inconveniente principale è che la soluzione elettrolitica contiene composti organici volatili (o VOC), solventi che devono essere accuratamente sigillati poiché sono pericolosi per la salute umana e l’ambiente. Questo, insieme al fatto che i solventi permeano la plastica, ha precluso l’applicazione esterna su vasta scala e l’integrazione nella struttura flessibile.

Sostituire l’elettrolita liquido con un solido è stato un importante campo di ricerca in corso. Recenti esperimenti con sali fusi solidificati hanno mostrato alcune promesse, ma attualmente soffrono di una maggiore degradazione durante il funzionamento continuato e non sono flessibili.

Fotocatodi e cellule tandem
Le celle solari sensibilizzate dai coloranti funzionano come un fotoanodo (n-DSC), in cui la fotocorrente risulta dall’iniezione di elettroni mediante il colorante sensibilizzato. I fotocatodi (p-DSC) funzionano in modalità inversa rispetto al n-DSC convenzionale, dove l’eccitazione del colorante è seguita dal rapido trasferimento di elettroni da un semiconduttore di tipo p al colorante (iniezione del foro sensibilizzata al colorante, invece dell’iniezione di elettroni) . Tali p-DSC e n-DSC possono essere combinati per costruire celle solari tandem (pn-DSC) e l’efficienza teorica dei DSC tandem va ben oltre quella dei DSC a singola giunzione.

Una cella tandem standard è composta da una n-DSC e una p-DSC in una configurazione a sandwich semplice con uno strato di elettrolita intermedio. n-DSC e p-DSC sono collegati in serie, il che implica che la fotocorrente risultante sarà controllata dal fotoelettrodo più debole, mentre le fotovoltaggi sono additive. Pertanto, la corrispondenza fotocorrente è molto importante per la costruzione di pn-DSC tandem ad alta efficienza. Tuttavia, a differenza di n-DSC, la ricombinazione rapida della carica dopo l’iniezione del foro sensibilizzata colorante di solito portava a basse fotocorrenti in p-DSC e quindi ostacolato l’efficienza del dispositivo generale.

I ricercatori hanno scoperto che l’uso di coloranti comprendenti un perilenemonoimmide (PMI) come accettore e un oligotiofene accoppiato a trifenilammina poiché il donatore migliora notevolmente le prestazioni del p-DSC riducendo la velocità di ricombinazione della carica dopo l’iniezione del foro sensibilizzato al colorante. I ricercatori hanno costruito un dispositivo DSC tandem con NiO sul lato p-DSC e TiO2 sul lato n-DSC. La corrispondenza della fotocorrente è stata ottenuta mediante la regolazione degli spessori di pellicola di NiO e TiO2 per controllare gli assorbimenti ottici e quindi corrispondere alle fotocorrenti di entrambi gli elettrodi. L’efficienza di conversione energetica del dispositivo è 1.91%, che supera l’efficienza dei suoi singoli componenti, ma è ancora molto inferiore a quella dei dispositivi n-DSC ad alte prestazioni (6% -11%). I risultati sono ancora promettenti dal momento che il DSC in tandem era di per sé rudimentale. Il notevole miglioramento delle prestazioni in p-DSC può alla fine portare a dispositivi tandem con un’efficienza molto maggiore rispetto ai soli n-DSC.

Sviluppo
I coloranti utilizzati nelle prime cellule sperimentali (circa 1995) erano sensibili solo nella parte ad alta frequenza dello spettro solare, nei raggi UV e blu. Sono state introdotte rapidamente versioni più recenti (circa 1999) che avevano una risposta in frequenza molto più ampia, in particolare “triscarboxy-rutenio terpiridina” [Ru (4,4 ‘, 4 “- (COOH) 3-terpy) (NCS) 3], che è efficiente a destra nella gamma di bassa frequenza di luce rossa e IR. L’ampia risposta spettrale porta alla colorazione di un profondo colore marrone-nero, e si riferisce semplicemente a “colorante nero” .I colori hanno un’eccellente possibilità di convertire un fotone in un elettrone, originariamente intorno all’80%, ma migliorando fino alla conversione quasi perfetta in coloranti più recenti, l’efficienza complessiva è di circa il 90%, con il 10% “perso” che è ampiamente rappresentato dalle perdite ottiche nell’elettrodo superiore.

Una cella solare deve essere in grado di produrre elettricità per almeno venti anni, senza una significativa riduzione dell’efficienza (durata della vita). Il sistema “black dye” è stato sottoposto a 50 milioni di cicli, l’equivalente di dieci anni di esposizione al sole in Svizzera. Non sono state osservate diminuzioni delle prestazioni visibili. Tuttavia, il colorante è soggetto a guasti in situazioni di luce intensa. Nell’ultimo decennio è stato realizzato un ampio programma di ricerca per affrontare queste preoccupazioni. I nuovi coloranti includevano 1-etil-3 metilimidazolio tetrocianatoborato [EMIB (CN) 4] che è estremamente leggero e stabile alla temperatura, diseleni di rame [Cu (In, GA) Se2] che offre maggiori efficienze di conversione, e altri con variazioni proprietà speciali.

I DSSC sono ancora all’inizio del loro ciclo di sviluppo. I guadagni di efficienza sono possibili e hanno recentemente iniziato uno studio più ampio. Questi includono l’uso di punti quantici per la conversione di luce ad alta energia (più alta frequenza) in più elettroni, utilizzando elettroliti a stato solido per una migliore risposta della temperatura e cambiando il drogaggio del TiO2 per adattarlo meglio all’elettrolito usato.

Nuovi sviluppi

2010
I ricercatori dell’École Polytechnique Fédérale di Losanna e dell’Université du Québec à Montréal sostengono di aver superato due dei principali problemi della DSC:

“Nuove molecole” sono state create per l’elettrolita, risultando in un liquido o gel che è trasparente e non corrosivo, che può aumentare la fotovoltaggio e migliorare l’uscita e la stabilità della cellula.
Al catodo, il platino è stato sostituito dal solfuro di cobalto, che è molto meno costoso, più efficiente, più stabile e più facile da produrre in laboratorio.
2011
Dyesol e Tata Steel Europe hanno annunciato a giugno lo sviluppo del più grande modulo fotovoltaico sensibilizzato al mondo, stampato su acciaio in una linea continua.

Dyesol e CSIRO hanno annunciato in ottobre il completamento riuscito della seconda pietra miliare nel Joint Dyesol / CSIRO Project. Il direttore di Dyesol, Gordon Thompson, ha dichiarato: “I materiali sviluppati durante questa collaborazione congiunta hanno il potenziale per far progredire in modo significativo la commercializzazione della DSC in una gamma di applicazioni in cui prestazioni e stabilità sono requisiti essenziali Dyesol è estremamente incoraggiato dalle scoperte della chimica che consentono la produzione delle molecole bersaglio.Questo crea un percorso per l’utilizzo commerciale immediato di questi nuovi materiali. ”

Dyesol e Tata Steel Europe hanno annunciato a novembre lo sviluppo mirato dell’acciaio solare BIPV competitivo di Grid Parity che non richiede l’introduzione di dazi doganali per le tariffe. TATA-Dyesol “Solar Steel” Roofing è attualmente in fase di installazione sul Sustainable Building Envelope Center (SBEC) a Shotton, nel Galles.

2012
I ricercatori della Northwestern University hanno annunciato una soluzione a un problema primario dei DSSC, quello delle difficoltà nell’uso e nel contenimento dell’elettrolito liquido e la conseguente vita utile relativamente breve del dispositivo. Ciò è ottenuto attraverso l’uso della nanotecnologia e la conversione dell’elettrolita liquido in un solido. L’efficienza attuale è circa la metà di quella delle celle di silicio, ma le celle sono leggere e potenzialmente molto più economiche da produrre.

2013
Negli ultimi 5-10 anni è stato sviluppato un nuovo tipo di DSSC, la cella solare sensibilizzata allo stato solido. In questo caso l’elettrolita liquido viene sostituito da uno dei vari materiali conduttori a foro solido. Dal 2009 al 2013 l’efficienza dei DSSC allo stato solido è aumentata drasticamente dal 4% al 15%. Michael Graetzel ha annunciato la fabbricazione di DSSC allo stato solido con un’efficienza del 15,0%, raggiunta con un mezzo ibrido di perovskite CH3NH3PbI3, successivamente depositato dalle soluzioni separate di CH3NH3I e PbI2.

Prima integrazione architettonica nel nuovo centro congressi dell’EPFL, in collaborazione con Romande Energie. La superficie totale sarà di 300 metri quadrati, in 1400 moduli di 50 cm x 35 cm. Progettato dagli artisti Daniel Schlaepfer e Catherine Bolle.

2018
I ricercatori hanno studiato il ruolo delle risonanze plasmoniche di superficie presenti su nanorods d’oro nelle prestazioni delle celle solari sensibilizzate alla tintura. Hanno scoperto che con un aumento della concentrazione nei nanorods, l’assorbimento della luce cresceva linearmente; tuttavia, l’estrazione di carica era anche suscettibile alla concentrazione. Con una concentrazione ottimizzata, hanno rilevato che l’efficienza complessiva di conversione della potenza è migliorata dal 5,31 all’8,86% per le celle solari sensibilizzate con colorante Y123.

La sintesi nanostrutturale di TiO2 nanostrutturata direttamente su substrati di vetro di ossido di stagno drogati con fluoro ha avuto successo attraverso una reazione solvotermica a due tempi. Inoltre, attraverso un trattamento con TiO2 sol, le prestazioni delle due celle di nanofili TiO2 possono essere migliorate raggiungendo un’efficienza di conversione di potenza del 7,65%.

Sono stati riportati un controelettrodo a base di acciaio inossidabile per DSSC che riduce ulteriormente il costo, rispetto al convenzionale controelettrodo a base di platino e sono adatti per applicazioni esterne.

I ricercatori dell’EPFL hanno avanzato i DSSC basati su elettroliti redox complessi di rame, che hanno raggiunto un’efficienza del 13,1% in condizioni standard AM1,5 G, 100 mW / cm2 e registrano un’efficienza del 32% inferiore a 1000 lux di luce interna.

Introduzione sul mercato
Diversi fornitori commerciali stanno promettendo la disponibilità di DSC nel prossimo futuro:

Dyesol ha ufficialmente aperto i suoi nuovi stabilimenti produttivi a Queanbeyan, in Australia, il 7 ottobre 2008. Ha successivamente annunciato partnership con Tata Steel (TATA-Dyesol) e Pilkington Glass (Dyetec-Solar) per lo sviluppo e la produzione su larga scala di DSC BIPV. Dyesol ha inoltre instaurato rapporti di collaborazione con Merck, Umicore, CSIRO, Ministero dell’Economia e del Commercio giapponese, Singapore Aerospace Manufacturing e joint venture con TIMO Korea (Dyesol-TIMO).

Solaronix, un’azienda svizzera specializzata nella produzione di materiali DSC dal 1993, ha ampliato i propri locali nel 2010 per ospitare una linea pilota di produzione di moduli DSC.

SolarPrint è stata fondata in Irlanda nel 2008 dal Dr. Mazhar Bari, Andre Fernon e Roy Horgan. SolarPrint è stata la prima entità commerciale con sede in Irlanda coinvolta nella produzione di tecnologia fotovoltaica. L’innovazione di SolarPrint è stata la soluzione all’elettrolito a base di solventi che fino ad oggi ha proibito la commercializzazione di massa di DSSC. La società è entrata in amministrazione controllata nel 2014 ed è stata liquidata.

G24innovations fondata nel 2006, con sede a Cardiff, nel sud del Galles, Regno Unito. Il 17 ottobre 2007, ha rivendicato la produzione del primo film sottile sensibilizzato con coloranti di grado commerciale.
Sony Corporation ha sviluppato celle solari sensibilizzate con coloranti con un’efficienza di conversione energetica del 10%, un livello ritenuto necessario per l’uso commerciale.

Tasnee stipula un accordo di investimento strategico con Dyesol.

H.Glass è stata fondata nel 2011 in Svizzera. 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.