В 1990-х годах Брайан О'Реган и Майкл Гретцель изобрели мезоскопические солнечные элементы, сенсибилизированные красителем (DSC), получившие имя последнего — ячейки Гретцеля. DSC преобразуют свет в электричество с помощью фотосенсибилизаторов. Это соединения красителей, которые поглощают свет и инжектируют электроны в массив оксидных нанокристаллов, которые впоследствии собираются в виде электрического тока.
В ДСК фотосенсибилизаторы прикрепляются (адсорбируются) к поверхности нанокристаллических мезопористых пленок диоксида титана, пропитанных окислительно-восстановительными электролитами или твердым зарядо-транспортным материалом. Вся конструкция направлена на выработку электроэнергии путем перемещения электронов от фотосенсибилизатора к электрическому выходу, такому как устройство или накопитель.
DSC прозрачны, могут быть изготовлены в нескольких цветах по низкой цене и уже используются в световых люках, теплицах, а также в стеклянных фасадах, таких как те, что украшают конференц-центр SwissTech. Кроме того, легкие гибкие версии DSC в настоящее время широко продаются в коммерческих целях для использования окружающего света для выработки электроэнергии для портативных электронных устройств, таких как наушники и электронные книги, а также в Интернете вещей.
Недавние достижения в области фотосенсибилизаторов и других компонентов DSC улучшили характеристики DSC как при солнечном солнечном свете, так и в условиях окружающего освещения. Но ключ к повышению эффективности DSC лежит в понимании и контроле сборки молекул красителя на поверхности пленок наночастиц диоксида титана, которые способствуют генерации электрического заряда.
Одним из методов является косенсибилизация, химический подход к производству, при котором получают ДСК с двумя или более разными красителями, обладающими комплементарным оптическим поглощением. Косенсибилизация приблизила эффективность преобразования энергии DSC к мировым рекордам, потому что она может предположительно комбинировать красители, которые могут поглощать свет по всему световому спектру. Тем не менее, косенсибилизация также оказалась неэффективной в некоторых случаях, поскольку поиск правильных пар красителей, которые могут обеспечить высокую эффективность поглощения света и преобразования энергии, требует кропотливого молекулярного дизайна, синтеза и скрининга.
Теперь ученые из групп Гретцеля и Андерса Хагфельдта из EPFL разработали способ улучшения упаковки двух недавно разработанных молекул фотосенсибилизатора для повышения фотоэлектрических характеристик DSC. Вместе новые фотосенсибилизаторы могут количественно собирать свет во всей видимой области. Новый метод заключается в предварительной адсорбции монослоя производного гидроксамовой кислоты на поверхности нанокристаллического мезопористого диоксида титана. Это замедляет адсорбцию двух сенсибилизаторов, позволяя сформировать хорошо упорядоченный и плотно упакованный слой сенсибилизатора на поверхности диоксида титана.
При таком подходе команда впервые смогла разработать DSC с эффективностью преобразования энергии 15,2% при стандартном глобальном моделировании солнечного света, а долгосрочная стабильность работы была проверена более 500 часов. При увеличении активной площади до 2,8 см² эффективность преобразования энергии достигла 28,4–30,2 % в широком диапазоне интенсивности окружающего освещения, а также была достигнута выдающаяся стабильность.
