Uma célula solar sensibilizada por corante (célula DSSC, DSC, DYSC ou Grätzel) é uma célula solar de baixo custo que pertence ao grupo de células solares de película fina. É baseado em um semicondutor formado entre um ânodo fotossensibilizado e um eletrólito, um sistema fotoeletroquímico. A versão moderna de uma célula solar de corante, também conhecida como célula Grätzel, foi originalmente co-inventada em 1988 por Brian O’Regan e Michael Grätzel na UC Berkeley e este trabalho foi posteriormente desenvolvido pelos cientistas acima mencionados na École Polytechnique Fédérale de Lausanne até a publicação da primeira DSSC de alta eficiência em 1991. Michael Grätzel recebeu o Prêmio Millenium de Tecnologia 2010 pela presente invenção.

O DSSC possui vários recursos atraentes; É simples fazer usando técnicas convencionais de impressão em rolo, é semi-flexível e semi-transparente, o que oferece uma variedade de usos não aplicáveis ​​a sistemas baseados em vidro, e a maioria dos materiais usados ​​são de baixo custo. Na prática, provou-se ser difícil eliminar uma série de materiais dispendiosos, nomeadamente platina e ruténio, e o electrólito líquido apresenta um sério desafio para tornar uma célula adequada para utilização em qualquer tempo. Embora sua eficiência de conversão seja menor do que as melhores células de filme fino, em teoria sua relação preço / desempenho deve ser boa o suficiente para permitir que elas concorram com a geração elétrica de combustível fóssil, atingindo a paridade de rede. As aplicações comerciais, que foram atrasadas devido a problemas de estabilidade química, estão previstas no Roteiro Fotovoltaico da União Européia para contribuir significativamente para a geração de eletricidade renovável até 2020.

Tecnologia atual: células solares semicondutoras
Em um semicondutor de estado sólido tradicional, uma célula solar é feita a partir de dois cristais dopados, um deles com impurezas do tipo n (semicondutor do tipo n), que adicionam elétrons de banda de condução livre e o outro dopado com impurezas do tipo p ( semicondutor do tipo p), que adicionam mais furos de elétrons. Quando colocados em contato, alguns dos elétrons na porção tipo-n fluem para o tipo-p para “preencher” os elétrons ausentes, também conhecidos como buracos de elétrons. Eventualmente elétrons suficientes fluirão através do limite para equalizar os níveis de Fermi dos dois materiais. O resultado é uma região na interface, a junção pn, onde os portadores de carga são esgotados e / ou acumulados em cada lado da interface. Em silício, essa transferência de elétrons produz uma barreira potencial de cerca de 0,6 a 0,7 V.

Quando colocados ao sol, os fótons da luz do sol podem excitar elétrons no lado tipo-p do semicondutor, um processo conhecido como fotoexcitação. Em silício, a luz solar pode fornecer energia suficiente para empurrar um elétron da faixa de valência de energia mais baixa para a banda de condução de maior energia. Como o nome indica, os elétrons na banda de condução estão livres para se mover sobre o silício. Quando uma carga é colocada através da célula como um todo, esses elétrons fluem para fora do lado tipo-p para o lado do tipo-n, perdem energia enquanto se movem através do circuito externo e então voltam para o material tipo-p onde eles podem mais uma vez se re-combinar com o buraco de banda de valência que deixaram para trás. Desta forma, a luz solar cria uma corrente elétrica.

Em qualquer semicondutor, o band gap significa que apenas os fótons com essa quantidade de energia, ou mais, contribuirão para a produção de uma corrente. No caso do silício, a maioria da luz visível do vermelho ao violeta tem energia suficiente para que isso aconteça. Infelizmente os fótons de energia mais alta, aqueles no extremo azul e violeta do espectro, têm energia mais que suficiente para atravessar o gap; embora parte dessa energia extra seja transferida para os elétrons, a maior parte é desperdiçada como calor. Outra questão é que, para ter uma chance razoável de capturar um fóton, a camada do tipo n precisa ser bastante espessa. Isso também aumenta a chance de um elétron recém-ejetado se encontrar com um furo previamente criado no material antes de atingir a junção pn. Esses efeitos produzem um limite superior na eficiência das células solares de silício, atualmente em torno de 12 a 15% para módulos comuns e até 25% para as melhores células de laboratório (33,16% é a eficiência máxima teórica para células solares de banda única, ver Shockley – limite de Qississer.

De longe, o maior problema com a abordagem convencional é o custo; As células solares requerem uma camada relativamente espessa de silício dopado, a fim de ter taxas razoáveis ​​de captura de fótons, e o processamento de silício é caro. Tem havido uma série de abordagens diferentes para reduzir esse custo na última década, notadamente as abordagens de filmes finos, mas até o momento eles têm visto uma aplicação limitada devido a uma variedade de problemas práticos. Outra linha de pesquisa tem sido melhorar drasticamente a eficiência através da abordagem multi-junction, embora essas células tenham um custo muito alto e sejam adequadas apenas para grandes implementações comerciais. Em termos gerais, os tipos de células adequados para a implantação em telhados não mudaram significativamente em eficiência, embora os custos tenham caído um pouco devido ao aumento da oferta.

Células solares sensibilizadas por corantes
No final da década de 1960, descobriu-se que corantes orgânicos iluminados podem gerar eletricidade em eletrodos de óxidos em células eletroquímicas. Em um esforço para entender e simular os processos primários da fotossíntese, o fenômeno foi estudado na Universidade da Califórnia, em Berkeley, com clorofila extraída do espinafre (abordagem biomimética ou biônica). Com base em tais experiências, a geração de energia elétrica através do princípio da célula solar de sensibilização de corante (DSSC) foi demonstrada e discutida em 1972. A instabilidade da célula solar de corante foi identificada como um desafio principal. Sua eficiência poderia, durante as duas décadas seguintes, ser melhorada pela otimização da porosidade do eletrodo preparado a partir do pó de óxido fino, mas a instabilidade continuou sendo um problema.

Um moderno DSSC é composto por uma camada porosa de nanopartículas de dióxido de titânio, coberta com um corante molecular que absorve a luz solar, como a clorofila nas folhas verdes. O dióxido de titânio é imerso sob uma solução eletrolítica, acima da qual é um catalisador à base de platina. Como em uma bateria alcalina convencional, um ânodo (o dióxido de titânio) e um cátodo (a platina) são colocados em ambos os lados de um condutor líquido (o eletrólito).

A luz solar passa através do eletrodo transparente para a camada de corante, onde pode excitar os elétrons que entram no dióxido de titânio. Os elétrons fluem em direção ao eletrodo transparente, onde são coletados para alimentar uma carga. Depois de passar pelo circuito externo, eles são reintroduzidos na célula em um eletrodo de metal na parte de trás, fluindo para o eletrólito. O eletrólito então transporta os elétrons de volta para as moléculas de corante.

Células solares sensibilizadas por corantes separam as duas funções fornecidas pelo silício em um projeto de célula tradicional. Normalmente, o silício atua como fonte de fotoelétrons, além de fornecer o campo elétrico para separar as cargas e criar uma corrente. Na célula solar sensibilizada por corante, a maior parte do semicondutor é usada apenas para o transporte de carga, os fotoelétrons são fornecidos a partir de um corante fotossensível separado. A separação de carga ocorre nas superfícies entre o corante, o semicondutor e o eletrólito.

As moléculas de corante são bastante pequenas (tamanho nanométrico), de modo que, para capturar uma quantidade razoável da luz que entra, a camada de moléculas de corante precisa ser bastante espessa, muito mais espessa do que as próprias moléculas. Para resolver esse problema, um nanomaterial é usado como um suporte para manter um grande número de moléculas de corante em uma matriz 3-D, aumentando o número de moléculas para qualquer área de superfície da célula. Nos projetos existentes, este andaime é fornecido pelo material semicondutor, que serve para trabalho duplo.

Construção
No caso do projeto original de Grätzel e O’Regan, a célula tem 3 partes principais. No topo, há um ânodo transparente feito de dióxido de estanho dopado com flúor (SnO2: F) depositado no verso de uma placa (tipicamente de vidro). Na parte traseira desta placa condutora existe uma fina camada de dióxido de titânio (TiO2), que se forma em uma estrutura altamente porosa com uma área superficial extremamente alta. O (TiO2) é quimicamente ligado por um processo chamado sinterização. O TiO2 absorve apenas uma pequena fração dos fótons solares (aqueles no UV). A placa é então imersa em uma mistura de um corante fotossensível de rutênio-polipiridina (também chamado de sensibilizadores moleculares) e um solvente. Depois de embeber o filme na solução corante, uma camada fina do corante é deixada ligada covalentemente à superfície do TiO2. A ligação é uma ligação de ligação éster, quelante ou bidentada.

Uma placa separada é então feita com uma camada fina do eletrólito de iodeto espalhada sobre uma folha condutora, tipicamente metal platina. As duas placas são então unidas e seladas para evitar que o eletrólito vaze. A construção é simples o suficiente para que haja kits de hobby disponíveis para construí-los manualmente. Embora usem vários materiais “avançados”, estes são baratos em comparação com o silício necessário para as células normais porque não requerem etapas de fabricação dispendiosas. O TiO2, por exemplo, já é amplamente usado como base de tinta.

Um dos dispositivos eficientes de DSSCs usa corante molecular à base de rutênio, por exemplo, [Ru (4,4′-dicarboxi-2,2′-bipiridina) 2 (NCS) 2] (N3), que é ligado a um fotoanodo através de moléculas de carboxilato. . O photoanode consiste de uma película de 12 µm de espessura de nanopartículas de TiO2 transparentes de 10–20 nm de diâmetro cobertas com uma película de 4 µm de partículas muito maiores (400 nm de diâmetro) que dispersam os fótons de volta na película transparente. O corante excitado injeta rapidamente um elétron no TiO2 após a absorção da luz. O elétron injetado se difunde através da rede de partículas sinterizadas para ser coletado no eletrodo de óxido condutor transparente (TCO) da frente, enquanto o corante é regenerado via redução por um redox shuttle, I3 / I, dissolvido em uma solução. A difusão da forma oxidada da lançadeira ao contra-eletrodo completa o circuito.

Mecanismo de DSSCs
Os principais processos que ocorrem em um DSSC

Etapa 1: as etapas principais a seguir convertem os fótons (luz) em corrente:

O fóton incidente é absorvido por fotossensibilizadores complexos de Ru adsorvidos na superfície do TiO2.
Os fotossensibilizadores são excitados do estado fundamental (S) para o estado excitado (S ∗). Os elétrons excitados são injetados na banda de condução do eletrodo de TiO2. Isso resulta na oxidação do fotossensibilizador (S +).

S + hν → S ∗ (1)

(2)

Os elétrons injetados na banda de condução do TiO2 são transportados entre nanopartículas de TiO2 com difusão em direção ao contato posterior (TCO). E os elétrons finalmente alcançam o contra-eletrodo através do circuito.
O fotossensibilizador oxidado (S +) aceita elétrons do mediador redox de íons I, levando à regeneração do estado fundamental (S), e dois I-íons são oxidados em iodo elementar, que reage com I− ao estado oxidado, I3−.
S + + e− → S (3)

O mediador redox oxidado, I3−, difunde-se em direção ao contra-eletrodo e então é reduzido a íons.
I3− + 2 e− → 3 I− (4)

A eficiência de um DSSC depende de quatro níveis de energia do componente: o estado excitado (aproximadamente LUMO) e o estado fundamental (HOMO) do fotossensibilizador, o nível de Fermi do eletrodo de TiO2 e o potencial redox do mediador (I− / I3−) no eletrólito.

Morfologia semelhante à nanoplanta
Em DSSC, os eletrodos consistiram de nanopartículas semicondutoras sinterizadas, principalmente TiO2 ou ZnO. Esses DSSCs baseados em nanopartículas dependem da difusão limitada por armadilhas através das nanopartículas semicondutoras para o transporte de elétrons. Isso limita a eficiência do dispositivo, pois é um mecanismo de transporte lento. A recombinação é mais provável de ocorrer em comprimentos de onda mais longos de radiação. Além disso, a sinterização de nanopartículas requer uma alta temperatura de cerca de 450 ° C, o que restringe a fabricação dessas células em substratos sólidos robustos e rígidos. Já foi comprovado que há um aumento na eficiência do DSSC, se o eletrodo de nanopartículas sinterizadas for substituído por um eletrodo especialmente projetado que possua uma morfologia exótica de ‘nanoplant-like’.

Operação
A luz solar entra na célula através do contato superior transparente de SnO2: F, atingindo o corante na superfície do TiO2. Os fótons atingindo o corante com energia suficiente para serem absorvidos criam um estado excitado do corante, a partir do qual um elétron pode ser “injetado” diretamente na banda de condução do TiO2. De lá, ele se move por difusão (como resultado de um gradiente de concentração de elétrons) para o ânodo claro no topo.

Enquanto isso, a molécula de corante perdeu um elétron e a molécula se decompõe se outro elétron não for fornecido. O corante retira um do iodeto em eletrólito abaixo do TiO2, oxidando-o em triiodeto. Esta reação ocorre muito rapidamente em comparação com o tempo que leva para o elétron injetado se recombinar com a molécula de corante oxidado, evitando essa reação de recombinação que efetivamente entraria em curto-circuito com a célula solar.

O triiodeto então recupera seu elétron perdido por difusão mecânica na parte inferior da célula, onde o eletrodo contador reintroduz os elétrons depois de fluir através do circuito externo.

Eficiência
Várias medidas importantes são usadas para caracterizar as células solares. A mais óbvia é a quantidade total de energia elétrica produzida por uma determinada quantidade de energia solar que brilha na célula. Expresso como uma porcentagem, isso é conhecido como a eficiência de conversão solar. A energia elétrica é o produto da corrente e da tensão, portanto, os valores máximos para essas medições também são importantes, respectivamente, Jsc e Voc. Finalmente, para entender a física subjacente, a “eficiência quântica” é usada para comparar a chance de que um fóton (de uma energia particular) criará um elétron.

Em termos de eficiência quântica, os DSSCs são extremamente eficientes. Devido à sua “profundidade” na nanoestrutura, existe uma chance muito grande de que um fóton seja absorvido, e os corantes são muito eficazes em convertê-los em elétrons. A maioria das pequenas perdas que existem nos DSSC’s são devidas a perdas de condução no TiO2 e no eletrodo transparente, ou perdas ópticas no eletrodo frontal. A eficiência quântica total para a luz verde é de cerca de 90%, com os 10% “perdidos” sendo largamente explicados pelas perdas ópticas no eletrodo superior. A eficiência quântica dos desenhos tradicionais varia, dependendo da sua espessura, mas é quase a mesma que a DSSC.

Em teoria, a voltagem máxima gerada por tal célula é simplesmente a diferença entre o nível (quase) Fermi do TiO2 e o potencial redox do eletrólito, cerca de 0,7 V sob condições de iluminação solar (Voc). Ou seja, se um DSSC iluminado estiver conectado a um voltímetro em um “circuito aberto”, ele lerá cerca de 0,7 V. Em termos de voltagem, os DSSCs oferecem Voc ligeiramente mais alto que o silício, cerca de 0,7 V em comparação com 0,6 V. diferença bastante pequena, então as diferenças do mundo real são dominadas pela produção atual, Jsc.

Embora o corante seja altamente eficiente na conversão de fótons absorvidos em elétrons livres no TiO2, apenas os fótons absorvidos pelo corante produzem corrente. A taxa de absorção de fótons depende do espectro de absorção da camada de TiO2 sensibilizada e do espectro do fluxo solar. A sobreposição entre esses dois espectros determina a máxima fotocorrente possível. Normalmente, as moléculas de corante usadas geralmente têm uma absorção mais fraca na parte vermelha do espectro em comparação com o silício, o que significa que menos fótons na luz do sol são utilizáveis ​​para a geração atual. Esses fatores limitam a corrente gerada por um DSSC, para comparação, uma célula solar tradicional baseada em silício oferece cerca de 35 mA / cm2, enquanto as DSSCs atuais oferecem cerca de 20 mA / cm2.

A eficiência geral de conversão de energia de pico para DSSCs atuais é de cerca de 11%. O recorde atual de protótipos é de 15%.

Degradação
DSSCs degradam quando expostos à radiação ultravioleta. Em 2014, a infiltração de ar da camada Spiro-MeOTAD amorfa comumente usada foi identificada como a causa primária da degradação, em vez da oxidação. O dano poderia ser evitado pela adição de uma barreira apropriada.

A camada de barreira pode incluir estabilizadores de UV e / ou cromóforos luminescentes de absorção de UV (que emitem em comprimentos de onda mais longos) e antioxidantes para proteger e melhorar a eficiência da célula.

Vantagens
Os DSSCs são atualmente a tecnologia solar de terceira geração mais eficiente (tecnologia de pesquisa de energia solar de pesquisa básica de 2005 16) disponível. Outras tecnologias de filme fino estão tipicamente entre 5% e 13%, e os tradicionais painéis comerciais de silício de baixo custo operam entre 14% e 17%. Isso torna os DSSCs atrativos como substitutos de tecnologias existentes em aplicações de “baixa densidade”, como coletores solares de telhados, onde a robustez mecânica e o peso leve do coletor sem vidro são uma grande vantagem. Eles podem não ser tão atraentes para implantações em grande escala, onde as células de maior eficiência e custo mais alto são mais viáveis, mas mesmo pequenos aumentos na eficiência de conversão de DSSC também podem torná-los adequados para algumas dessas funções.

Há outra área em que os DSSCs são particularmente atraentes. O processo de injetar um elétron diretamente no TiO2 é qualitativamente diferente do que ocorre em uma célula tradicional, onde o elétron é “promovido” dentro do cristal original. Em teoria, dadas as baixas taxas de produção, o elétron de alta energia no silício poderia se re-combinar com seu próprio buraco, liberando um fóton (ou outra forma de energia) e resultando na não geração de corrente. Embora este caso em particular possa não ser comum, é bastante fácil para um elétron gerado em outra molécula atingir um buraco deixado em uma fotoexcitação anterior.

Em comparação, o processo de injeção usado no DSSC não introduz um furo no TiO2, apenas um elétron extra. Embora seja energeticamente possível para o elétron recombinar novamente no corante, a taxa na qual isto ocorre é bastante lenta comparada à taxa que o corante recupera um elétron do eletrólito circunvizinho. A recombinação direta do TiO2 para espécies no eletrólito também é possível, embora, novamente, para dispositivos otimizados, essa reação seja bastante lenta. Pelo contrário, a transferência de elétrons do eletrodo revestido de platina para as espécies no eletrólito é necessariamente muito rápida.

Como resultado dessa “cinética diferencial” favorável, os DSSCs funcionam mesmo em condições de baixa luminosidade. DSSCs são, portanto, capazes de trabalhar sob céu nublado e luz solar direta, enquanto designs tradicionais sofreriam um “recorte” em algum limite de iluminação, quando a mobilidade da transportadora de carga é baixa e a recombinação se torna um grande problema. O corte é tão baixo que eles estão sendo propostos para uso interno, coletando energia para pequenos aparelhos a partir das luzes da casa.

Uma vantagem prática, que um DSSC compartilha com a maioria das tecnologias de filme fino, é que a robustez mecânica da célula leva indiretamente a maiores eficiências em altas temperaturas. Em qualquer semicondutor, o aumento da temperatura promoverá alguns elétrons na banda de condução “mecanicamente”. A fragilidade das células tradicionais de silício exige que elas sejam protegidas dos elementos, tipicamente encapsulando-as em uma caixa de vidro semelhante a uma estufa, com um suporte metálico para a resistência. Tais sistemas sofrem notáveis ​​decréscimos na eficiência à medida que as células se aquecem internamente. Os DSSCs são normalmente construídos com apenas uma camada fina de plástico condutor na camada frontal, permitindo que irradiem calor muito mais facilmente e, portanto, operam com temperaturas internas mais baixas.

Desvantagens
A principal desvantagem do projeto DSSC é o uso do eletrólito líquido, que apresenta problemas de estabilidade de temperatura. Em baixas temperaturas, o eletrólito pode congelar, terminando a produção de energia e potencialmente levando a danos físicos. Temperaturas mais altas fazem com que o líquido se expanda, tornando o fechamento dos painéis um problema sério. Outra desvantagem é que rutênio caro (corante), platina (catalisador) e vidro condutor ou plástico (contato) são necessários para produzir um DSSC. Uma terceira grande desvantagem é que a solução eletrolítica contém compostos orgânicos voláteis (ou VOCs), solventes que devem ser cuidadosamente selados, pois são perigosos para a saúde humana e para o meio ambiente. Isso, juntamente com o fato de que os solventes permeiam os plásticos, impediu a aplicação e a integração em larga escala ao ar livre na estrutura flexível.

A substituição do eletrólito líquido por um sólido tem sido um importante campo de pesquisa em andamento. Experiências recentes usando sais fundidos solidificados mostraram-se promissoras, mas atualmente sofrem de maior degradação durante a operação continuada, e não são flexíveis.

Photocathodes e células em tandem
As células solares sensibilizadas por corante operam como um fotoanódio (n-DSC), onde a fotocorrente é resultado da injeção de elétrons pelo corante sensibilizado. Os fotocatódios (p-DSCs) operam em um modo inverso comparado ao n-DSC convencional, onde a excitação de corante é seguida pela transferência rápida de elétrons de um semicondutor do tipo p para o corante (injeção de furos sensibilizados por corante, em vez de injeção eletrônica) . Tais p-DSCs e n-DSCs podem ser combinados para construir células solares em tandem (pn-DSCs) e a eficiência teórica de DSCs em tandem está bem além da dos DSCs de junção única.

Uma célula tandem padrão consiste em um n-DSC e um p-DSC em uma configuração simples de sanduíche com uma camada de eletrólito intermediária. O n-DSC e o p-DSC são conectados em série, o que implica que a fotocorrente resultante será controlada pelo fotoelétrodo mais fraco, enquanto as fotovoltagens são aditivas. Assim, a correspondência de fotocorrentes é muito importante para a construção de DSCs em tandem altamente eficientes em conjunto. No entanto, ao contrário dos n-DSCs, a rápida recombinação de carga após a injeção de orifícios sensibilizados por corante geralmente resultou em baixas fotocorrentes no p-DSC e, portanto, dificultou a eficiência do dispositivo geral.

Os investigadores descobriram que a utilização de corantes compreendendo um perilenomenoimid (PMI) como aceitador e um oligotiofeno acoplado a trifenilamina como doador, melhora grandemente o desempenho de p-DSC reduzindo a taxa de recombinação de carga após injecção de orifícios sensibilizados por corante. Os pesquisadores construíram um dispositivo DSC em tandem com NiO no lado p-DSC e TiO2 no lado n-DSC. A correspondência de foto-aceleração foi obtida através do ajuste das espessuras de filme de NiO e TiO2 para controlar as absorções ópticas e, portanto, combinar as fotocorrentes de ambos os eletrodos. A eficiência de conversão de energia do dispositivo é de 1,91%, o que excede a eficiência de seus componentes individuais, mas ainda é muito menor do que a dos dispositivos n-DSC de alto desempenho (6% a 11%). Os resultados ainda são promissores, uma vez que o DSC em tandem era em si rudimentar. A melhoria dramática no desempenho no p-DSC pode levar a dispositivos em série com eficiência muito maior do que os n-DSCs solitários.

Desenvolvimento
Os corantes utilizados nas primeiras células experimentais (por volta de 1995) eram sensíveis apenas no extremo de alta frequência do espectro solar, no UV e no azul. Versões mais recentes foram rapidamente introduzidas (por volta de 1999), que tiveram resposta de freqüência muito mais ampla, notavelmente “triscarboxi-rutênio terpyridine” [Ru (4,4 ‘, 4 “- (COOH) 3-terpy) (NCS) 3], que é eficiente diretamente na faixa de baixa frequência de luz vermelha e infravermelha.A ampla resposta espectral faz com que o corante tenha uma cor marrom-escura profunda, e é referido simplesmente como “corante preto” .Os corantes têm uma excelente chance de converter um fóton em um elétron, originalmente em torno de 80%, mas melhorando a quase perfeita conversão em corantes mais recentes, a eficiência geral é de cerca de 90%, com os 10% “perdidos” sendo largamente explicados pelas perdas ópticas no eletrodo superior.

Uma célula solar deve ser capaz de produzir eletricidade por pelo menos vinte anos, sem uma redução significativa na eficiência (tempo de vida). O sistema de “corante preto” foi submetido a 50 milhões de ciclos, o equivalente a dez anos de exposição ao sol na Suíça. Nenhuma diminuição perceptível no desempenho foi observada. No entanto, o corante está sujeito a quebra em situações de alta luminosidade. Durante a última década, um extenso programa de pesquisa foi realizado para tratar dessas preocupações. Os corantes mais recentes incluíram o tetrocianoborato de 1-etil-3 metilimidazólio [EMIB (CN) 4], que é extremamente claro e estável à temperatura, cobre-diselênio [Cu (In, GA) Se2] que oferece maior eficiência de conversão, e outros com variação propriedades especiais.

DSSCs ainda estão no início de seu ciclo de desenvolvimento. Ganhos de eficiência são possíveis e começaram recentemente estudos mais amplos. Estes incluem o uso de pontos quânticos para conversão de luz de alta energia (frequência mais alta) em múltiplos elétrons, usando eletrólitos de estado sólido para melhor resposta de temperatura e mudando a dopagem do TiO2 para melhor combiná-lo com o eletrólito sendo usado.

Novos desenvolvimentos

2010
Pesquisadores da École Polytechnique Fédérale de Lausanne e da Université du Québec à Montréal afirmam ter superado duas das principais questões do DSC:

“Novas moléculas” foram criadas para o eletrólito, resultando em um líquido ou gel transparente e não corrosivo, que pode aumentar a fotovoltagem e melhorar a saída e a estabilidade da célula.
No cátodo, a platina foi substituída por sulfeto de cobalto, que é muito menos dispendioso, mais eficiente, mais estável e mais fácil de produzir no laboratório.
2011
A Dyesol e a Tata Steel Europe anunciaram em junho o desenvolvimento do maior módulo fotovoltaico sensibilizado por corante do mundo, impresso em aço em uma linha contínua.

Dyesol e CSIRO anunciaram em outubro uma conclusão bem-sucedida do segundo marco no projeto conjunto Dyesol / CSIRO. O diretor da Dyesol, Gordon Thompson, disse: “Os materiais desenvolvidos durante esta colaboração conjunta têm o potencial de avançar significativamente na comercialização de DSC em uma variedade de aplicações onde o desempenho e a estabilidade são requisitos essenciais. Dyesol é extremamente encorajado pelos avanços na química permitindo a produção das moléculas alvo. Isso cria um caminho para a utilização comercial imediata desses novos materiais “.

A Dyesol e a Tata Steel Europe anunciaram em novembro o desenvolvimento direcionado do aço solar BIPV Competitivo de Paridade de Rede, que não exige tarifas subsidiadas pelo governo. A telhadura “Solar Steel” da TATA-Dyesol está atualmente sendo instalada no Centro de Envelopes de Edifícios Sustentáveis ​​(SBEC) em Shotton, País de Gales.

2012
Pesquisadores da Northwestern University anunciaram uma solução para um problema primário de DSSCs, o de dificuldades em usar e conter o eletrólito líquido e a consequente vida útil relativamente curta do dispositivo. Isto é conseguido através do uso da nanotecnologia e da conversão do eletrólito líquido em sólido. A eficiência atual é cerca de metade da das células de silício, mas as células são leves e têm potencialmente um custo muito menor para produzir.

2013
Durante os últimos 5 a 10 anos, um novo tipo de DSSC foi desenvolvido – a célula solar de estado sólido sensibilizada por corante. Neste caso, o eletrólito líquido é substituído por um dos vários materiais condutores sólidos. De 2009 a 2013, a eficiência dos DSSCs no estado sólido aumentou drasticamente de 4% para 15%. Michael Graetzel anunciou a fabricação de DSSCs de estado sólido com 15% de eficiência, alcançada por meio de um pigmento híbrido perovskita CH3NH3PbI3, posteriormente depositado a partir das soluções separadas de CH3NH3I e PbI2.

Primeira integração arquitetônica no novo centro de convenções da EPFL, em parceria com a Romande Energie. A superfície total será de 300 metros quadrados, em 1400 módulos de 50 cm x 35 cm. Projetado pelos artistas Daniel Schlaepfer e Catherine Bolle.

2018
Pesquisadores investigaram o papel das ressonâncias plasmônicas de superfície presentes em nanobastões de ouro no desempenho de células solares sensibilizadas por corantes. Eles descobriram que com um aumento da concentração nos nanobastões, a absorção de luz cresceu linearmente; no entanto, a extração de carga também foi suscetível à concentração. Com uma concentração otimizada, eles descobriram que a eficiência geral de conversão de energia melhorou de 5,31 para 8,86% para células solares sensibilizadas por corantes Y123.

A síntese de uma estrutura nano de TiO2 unidimensional diretamente em substratos de vidro de óxido de estanho dopado com flúor foi bem-sucedida através de uma reação solvotérmica de dois pontos. Adicionalmente, através de um tratamento com sol de TiO2, o desempenho das duas células de nanofio de TiO2 pode ser melhorado, atingindo uma eficiência de conversão de energia de 7,65%.

O eletrodo contador de aço inoxidável para DSSCs foi relatado, o que reduz ainda mais o custo, comparado ao eletrodo contador baseado em platina convencional e é adequado para aplicação externa.

Pesquisadores da EPFL avançaram os DSSCs baseados em eletrólitos redox de complexos de cobre, que atingiram 13,1% de eficiência sob condições padrão AM1.5G, 100 mW / cm2 e registraram 32% de eficiência sob 1000 lux de luz interna.

Introdução no mercado
Vários provedores comerciais prometem disponibilidade de DSCs em um futuro próximo:

A Dyesol inaugurou oficialmente suas novas instalações de fabricação em Queanbeyan, Austrália, em 7 de outubro de 2008. Posteriormente, anunciou parcerias com a Tata Steel (TATA-Dyesol) e a Pilkington Glass (Dyetec-Solar) para o desenvolvimento e fabricação em larga escala do DSC BIPV. A Dyesol também entrou em relações de trabalho com a Merck, a Umicore, a CSIRO, o Ministério de Economia e Comércio do Japão, a Singapore Aerospace Manufacturing e uma joint venture com a TIMO Korea (Dyesol-TIMO).

A Solaronix, uma empresa suíça especializada na produção de materiais DSC desde 1993, ampliou suas instalações em 2010 para hospedar uma linha piloto de fabricação de módulos DSC.

A SolarPrint foi fundada na Irlanda em 2008 pelo Dr. Mazhar Bari, Andre Fernon e Roy Horgan. A SolarPrint foi a primeira entidade comercial com sede na Irlanda envolvida na fabricação de tecnologia fotovoltaica. A inovação da SolarPrint foi a solução para o eletrólito à base de solvente que até o momento proibiu a comercialização em massa do DSSC. A empresa entrou em concordata em 2014 e foi liquidada.

G24innovations fundada em 2006, com sede em Cardiff, South Wales, Reino Unido. Em 17 de outubro de 2007, reivindicou a produção do primeiro filme comercial de filmes finos sensibilizados.
A Sony Corporation desenvolveu células solares sensibilizadas por corantes com uma eficiência de conversão de energia de 10%, um nível considerado necessário para uso comercial.

Tasnee entra em acordo de investimento estratégico com Dyesol.

A H.Glass foi fundada em 2011 na Suíça.A H.Glass fez enormes esforços para criar um processo industrial para a tecnologia DSSC – os primeiros resultados foram mostrados na EXPO 2015 em Milão, no Pavilhão da Áustria. O marco para o DSSC é a Torre da Ciência na Áustria – é a maior instalação de DSSC no mundo – realizada pelas tecnologias da SFL.