El documento describe las celdas solares sensibilizadas por colorante, incluyendo sus principales componentes y desafíos. Estas celdas consisten en un electrodo transparente recubierto con una capa de óxido semiconductor nanoestructurado (como TiO2), moléculas de colorante que sensibilizan la capa, y un electrolito redox. El documento explora opciones para mejorar la eficiencia, como el uso de nanocables en lugar de nanopartículas y el desarrollo de nuevos fotosensibilizadores con mayor absorción de luz

1. Celdas solares sensibilizadas por colorantes - Principios de aplicación
práctica, Retos y Oportunidades
La energía solar resulta ser una fuente de energía que promete resolver los
problemas de abuso de recursos no renovables y hacer frente a la lucha contra
la creciente demanda energética que actualmente afecta al medioambiente. Es
por esto que llama la atención en uso de celdas solares orgánicas e
inorgánicas.
Una celda solar es un dispositivo fotónico que convierte los fotones con
longitudes de onda específicas a electricidad. Incluso después de que el Físico
Alexandre Becquerel descubriera el efecto foto-electroquímico en 1839, la
investigación en esta área continuó y la tecnología se desarrolló para crear
materiales basados en la tecnología fotovoltaica. Las primeras y segundas
generaciones de cedas solares son construidas a base de semiconductores
incluyendo silicio cristalino, compuestos III-V, teluro de cadmio y cobre e indio
seleniuro / sulfuro. El bajo costo de las celdas solares ha sido objeto de
atención durante las últimas tres décadas, como por ejemplo, los
semiconductores amorfos que son materiales de bajo costo de producción.
Las celdas solares sensibilizadas de colorante surgieron como una nueva clase
de dispositivos de conversión de energía de bajo costo con los procedimientos
de fabricación simples. La incorporación de moléculas de colorante en algunos
electrodos semiconductores de banda prohibida fue un factor clave en el
desarrollo de celdas solares foto-electroquímicas.
En Estados Unidos se logró producir lo que se conoce como "la celda Grätzel"
o 172 células solares – sensibilizadas con colorante para imitar la fotosíntesis
de las plantas -los procesos naturales convierten la luz solar en energía
mediante la sensibilización de una película de TiO2 nanocristalino. En el tinte
sensibilizado la separación de cargas de la celda solar se lleva a cabo por la
competencia cinética como en la fotosíntesis que conduce a la acción
fotovoltaica. Lo que deja en claro que las celdas solares de colorante
sensibilizado son favorables pues no requieren alto presupuesto y presentan
eficiencia solar moderada.
Se encuentra que la eficiencia de las celdas solares sensibilizadas de colorante
es proporcional a la eficiencia de inyección de electrones en los
semiconductores de banda ancha prohibida nanoestructurados. Los
nanocables ZnO2, por ejemplo, se han desarrollado para reemplazar las células
solares de nanopartículas de TiO2. El desarrollo o la extracción de
fotosensibilizadores con la absorción de rango extendido cercano a IR es lo
más deseado, pues el uso de extractos de colorante natural que encontramos
que nuestro entorno es de bajo costo y no son tóxicos, con alto nivel de
absorción de UV, IR visible y cercano.

2. 2. Estructura de la célula solar sensibilizada por colorante
La celda se compone de cuatro elementos a saber, el conductor transparente y
contador de electrodos conductores, la capa de semiconductor de banda ancha
prohibida nanoestructurado, las moléculas de colorante (sensibilizadores), y el
electrolito. El electrodo conductor transparente y contra-electrodo están
recubiertos con una película conductora delgada y transparente hecha de
dióxido de estaño.
2.1 Sustrato transparente, tanto para la conducción de electrodo y contra
electrodo.
Los sustratos de vidrio transparente se utilizan como sustrato debido a su bajo
costo,disponibilidad y alta transparencia óptica en las regiones visible e
infrarrojo cercano al espectro electromagnético. Posee un revestimiento
conductor (película) en forma de óxido conductor transparente delgado (TCO) y
se deposita en un lado del sustrato. La película conductora asegura una
resistencia eléctrica muy baja por metro cuadrado.
Hay que tener en cuenta que los niveles de transparencia del electrodo
conductor después de ser revestido con la película conductora no es 100%
sobre toda la gama visible y cercana a infrarrojos. La deposición de material
nanoestructurado reduce la transparencia del electrodo.
2.2 Electrodo Nanoestructurado.
El uso de los semiconductores de banda ancha prohibida sensibilizados tales
como TiO2, o ZnO2 ha dado lugar a una alta estabilidad química para la célula
debido a su resistencia a la foto corrosión. El problema con el poli-cristalino es
la baja eficiencia de conversión de luz a corriente, debido principalmente a la
adsorción inadecuada del sensibilizador que resulta de la limitada área de
superficie del electrodo. Un enfoque para mejorar la eficacia de la luz obtenida
a la eficiencia de conversión actual es aumentar la superficie (el factor de
rugosidad) del fotoelectrodo sensibilizado.
Debido a que el área ocupada por una molécula de colorante es mucho más
grande que su sección transversal óptica para la captura de la luz, la absorción
de la luz por una monocapa de tinte no es sustancial. Se ha confirmado que la
alta eficiencia fotovoltaica no se puede lograr con el uso de una capa plana de
semiconductor o superficie de óxido semiconductor de ancho de banda
prohibida, sino más bien por el uso de la capa nanoestructurada de muy alto
factor de rugosidad. Por lo que Grätzel y sus colaboradores sustituyeron la
voluminosa capa de dióxido de titanio (TiO2) con la capa de TiO2 nanoporoso
como un foto-electrodo. La alta porosidad de la capa de TiO2 nanoestructurado
permite la sencilla difusión de mediadores redox dentro de la capa para
reaccionar con sensibilizadores unidos a la superficie. Debido a que no es caro,
ni tóxico y que tiene buena estabilidad química en solución mientras es
irradiado que el Dióxido de titanio ha atraído gran atención en muchos campos

3. fotovoltaicos nanoestructurados como foto-catalizadores, la purificación del
medio ambiente, , sensores de gas, y fotoelectrodos.
La formación de la capa de TiO2 nanoestructurado se ve muy afectada por
procedimientos en preparación de suspensión de TiO2, así como por la
temperatura de recocido. Se ha encontrado que una película de TiO2
sinterizado a temperaturas más bajas que 450C, lo cual es recomendado, dio
lugar a celdas que generan corriente eléctrica imperceptible. La degradación de
la capa de TiO2 nanoestructurado en este caso es rápido y se forman grietas
después de un corto período de tiempo cuando la célula está expuesta a la luz
solar directa.
Uno de los factores importantes que afectan la eficiencia de la célula es el
espesor de la capa de TiO2 nanoestructurado que debe ser menos de 20 m
para asegurarse de que la longitud de difusión de los fotoelectrones es mayor
que la de la capa de TiO2 nanocristalino. TiO2 nanocristalino es el electrodo
más utilizado óxido de semiconductores en el DSSC como un electrón aceptor.
Otros grupos de investigación sugieren que el crecimiento de nanocables ZnO2
más largos, más delgados, y más densos es un enfoque práctico para mejorar
la eficiencia de la célula. Las investigaciones muestran que el tamaño de
nanocables de ZnO2 podría modificarse libremente mediante el control de las
condiciones de la solución tales como temperatura, concentración de precursor,
tiempo de reacción, y la adopción de crecimiento multi-paso. El nanocable
estructurado ofrece un gran potencial para el mejor transporte de electrones.
Se ha encontrado que el corto circuito de la densidad de corriente y el
rendimiento de células aumenta significativamente a medida que aumenta la
longitud de nanocable debido a una mayor cantidad de colorante adsorbido en
nanocables más largos, lo que resulta en la mejora de la eficiencia de
conversión.
Debido a que el dióxido de titanio es abundante, de bajo costo, biocompatible y
no es tóxico resulta ventajoso para ser utilizado en celdas solares
sensibilizadas de colorante. Muchos estudios sugieren que la sustitución de la
película de nanopartículas con una serie de nanocables individuales cristalinos
(varillas), nanoplants o nanoláminas aumenta el transporte de electrones en
varios órdenes de magnitud.
2.3 Fotosensibilizador
Entre la primera clase de sensibilizadores prometedores estuvieron los
compuestos Polipiridil de Ru (II) que han sido investigados extensivamente.
Muchas investigaciones se han centrado en la ingeniería molecular de
compuestos de rutenio. Se sugiere que "Encontrar aditivos apropiados para
mejorar la tensión del circuito abierto sin causar la degradación de colorante
podría dar lugar a una mejora adicional en el rendimiento de la célula, haciendo

4. que la aplicación práctica de tales sistemas más adecuados para dispositivos
de energía solar resulten económicamente viables para nuestra sociedad "
El Grupo Grätzel desarrolló muchos fotosensibilizadores complejos de Ru. Un
ejemplo famoso es el cis-Di (tiocianato) bis (2,2'bypiridyl) -4,4'-dicarboxilato)
rutenio (II) ya que ha sido un excelente absorbente de luz solar y sensibilizador
de transferencia de carga. Para que la molécula de colorante sensibilizador sea
excelente, debe poseer varios grupos carbonilo (C = O) o hidroxilo (-OH)
capaces de quelar los Ti (IV) situados en la superficie de TiO2.
El colorante extraído de moras de California ha logrado ser un excelente
colorante de tinción rápida para la sensibilización, por otro lado, los colorantes
extraídos de fresas carecen de tal capacidad complejante y por tanto no
sugirieron como colorante natural sensibilizador. Las celdas y módulos
comercializados de tinte sensibilizador solar utilizan tintes a base de bipiridilo
de rutenio (colorantes N3 o N917) los cuales logran eficiencias de conversión
por encima del 10% pero son costosos.
Por lo tanto, en el intento de desarrollar celdas solares verdes; la Universidad
de Bahrein utiliza Soxhlet Extractor en la extracción de soluciones colorantes
naturales de abundantes fuentes de colorantes naturales como Bahrein Henna.
Se utilizó metanol como disolvente en cada proceso de extracción. La
absorbancia de la solución de colorante extraído se midió utilizando un
espectrofotómetro de doble haz.
Diferentes concentraciones de extractos de Henna (Lawsonia inermis L.) se
han preparado a partir del extracto original. La eficiencia de recolección de luz
(LHE) para cada concentración se ha calculado a partir de la absorbancia la luz
la eficiencia de recolección:
𝐿𝐻𝐸( 𝜆) = (1 − 10−𝐴( 𝜆)
)𝑥 100
donde A () es la absorbancia de la muestra a la longitud de onda específica.
La absorbancia y por lo tanto la luz LHE aumenta con la concentración del
extracto de tinte.
Dado que no todos los fotones dispersados o transmitidos a través de la capa
de TiO2 nanocristalino se absorben por una monocapa de las moléculas
colorantes adsorbida, la incorporación de relé de energía con colorante puede
ayudar a mejorar la eficiencia de recolección de luz. Se ha logrado una mejora
notable en la absorción de ancho de banda espectral y aumento del 26% en la
eficiencia de conversión de potencia con algunos tintes sensibilizadores
después de que el relé de energía ha sido añadido.
La absorción de la luz produce excitones o pares electrón-hueco. Los excitones
tienen una separación física promedio entre el electrón y el agujero,
denominado el excitón Bohr Radius. Por lo general, el radio de Bohr es mayor

5. que el diámetro QD llevando a efecto de confinamiento cuántico.
Los excitones se disocian en la interfaz QD TiO2. El electrón se inyecta
posteriormente en la banda de conducción de óxido semiconductor, mientras
que el agujero se transfiere a un conductor agujero o un electrolito.
Se ha demostrado la eficiente y rápida inyección desde huecos de PbS en
conductores agujero triarilamina, y se han obtenido valores IPCE (Incidencia de
fotones a la eficiencia de conversión actual) superior a 50%.
Las investigaciones muestran que múltiples excitones pueden ser producidos a
partir de la absorción de un solo fotón por un QD a través de ionización de
impacto si la energía del fotón es 3 veces mayor que su intervalo de banda. La
cuestión a la que se debe hacer frente es encontrar maneras de recoger los
excitones antes de que se recombinen y se pierdan en la celda. Los tintes
desgraciadamente son inestables y tienden a fotoblanquearse durante un
período relativamente corto de tiempo. Los puntos cuánticos preparados con
una cáscara externa adecuadamente diseñada son muy estables y por lo tanto
de larga duración, sin degradación en el rendimiento por lo que son factibles.
Se ha tenido éxitos significativos en afán de mejorar la eficiencia de foto-
conversión de las células solares basadas en CdSe cosechadoras de luz
compatibles con nanotubos de carbono. Esto se logra mediante la
incorporación de una red de nanotubos de carbono en la capa de TiO2
nanoestructurado, y en consecuencia ayudar en el proceso de transporte de
carga.
2.4 Electrolito Redox
En las Células solares Sensibilizadas de colorante (DSSC)se utilizan
electrolitos que contienen los iones redox I- / I3
- para regenerar las
moléculas de colorante oxidadas y así completar el circuito eléctrico
por mediación de electrones entre el electrodo y el electrodo contador
nanoestructurado
El rendimiento de la célula se ve muy afectado por la conductividad de
los iones en el electrolito el cual se ve directamente afectado por la
viscosidad del disolvente. Por lo tanto, un solvente con menor
viscosidad es muy recomendable.
Se ha encontrado que la adición de terc-butilpiridina al electrolito
redox mejora el rendimiento celular.
Además de limitar la estabilidad celular debido a la evaporación, un
electrolito líquido inhibe la fabricación de módulos de células
múltiples, desde que la fabricación de módulos requiere células puedan
conectarse aun estando eléctricamente separadas.
Además de limitar la estabilidad celular debido a la evaporación,
electrolito líquido inhibe la fabricación de módulos de células
múltiples, desde la fabricación de módulos requiere células pueden
conectar todavía eléctricamente separados químicamente. Por lo tanto,
una deficiencia significativa de las células solares de colorante
sensibilizadas llenos de electrolitos redox en estado líquido es la
fuga de electrolito, conduciendo a la reducción de la vida útil de la

6. célula, así como atrae problemas tecnológicos y la estabilidad a largo
plazo.
Se ha encontrado que la adición de poli (fluoruro de vinilideno-co-
hexafluoropropileno) al electrolito KI / I2 ha mejorado tanto los
factores de relleno y la eficiencia de conversión de energía de las
células alrededor de en 17%.
Los electrolitos de gel también son muy llamativos desde varias
perspectivas, tales como: La eficiencia entre la viscosidad del
electrolito y la movilidad iónica; los líquidos iónicos gelificados
tienen anómalamente una alta movilidad iónica a pesar de su alta
viscosidad, y en particular para la realización de sellado entre
células monolíticas.
3. Cómo trabajan las celdas solares sensibilizadas con colorante.
3.1. Principio de funcionamiento de celdas solares sensibilizadas con
colorante.
El TiO2 Nanocristalino se deposita sobre el electrodo conductor (foto-
electrodo) para proporcionar el gran área superficial necesaria para
adsorber moléculas de colorante (sensibilizadores). Tras la absorción
de fotones, los moléculas de colorante están excitadas, desde los
orbitales moleculares llenos más altos (HOMO) a los (LUMO) estados
moleculares orbitales vacíos (Ec 2).
Una vez que un electrón se inyecta en la banda de conducción del
semiconductor de ancho de banda prohibida de la película de TiO2
nanoestructurado, la molécula de colorante (fotosensibilizador) se
oxida,(Ec 3)
El electrón inyectado se transporta entre las nanopartículas de TiO2 y
después se extrae a una carga, todo el trabajo realizado se entrega
como energía eléctrica. (Ec 4)
Por lo tanto, las moléculas de colorante oxidados (fotosensibilizador)
se regeneran mediante la recepción de electrones del ion redox I- que
lo oxida a I3
- (iones triyoduro)(Ec 5).
El I3
- sustituye el electron donado internamente con l carga externa y
lo reduce de nuevo a ion I-.(Ec 6).
𝑠 + 𝑓𝑜𝑡ó𝑛 → 𝑆∗
(2) Proceso de excitación
𝑆∗
+ 𝑇𝑖𝑂2 → 𝑒−
(𝑇𝑖𝑂2) + 𝑆+
(3) Proceso de inyección
𝑒−
(𝑇𝑖𝑂2) + 𝐶. 𝐸. → 𝑇𝑖𝑂2 + 𝑒−
(𝐶.𝐸.) + 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 (4)Generación de energía
𝑆+
+
3
2
𝐼−
→ 𝑆 +
1
2
𝐼3
−
(5) Regeneración del colorante
1
2
𝐼3
−
+ 𝑒−
(𝐶.𝐸.) →
3
2
𝐼−
+ 𝐶. 𝐸 (6) Reacción de recaptura
3.2 Rendimiento Fotovoltaico 187
3.3 Inyección de carga, transporte, la recombinación y celda de
corriente oscura.
La cinética de la inyección de electrones en el fotoelectrodo
semiconductor después de ser excitado desde el fotosensibilizador ha
sido investigada utilizando espectroscopia.
Se ha encontrado que tanto la configuración del material
fotosensibilizante y la separación de energía entre el nivel de la
banda de conducción del conductor de banda ancha y el nivel LUMO del
fotosensibilizador afenctan en gran medida a la velocidad de

7. transferencia de electrones al semiconductor con espacio de banda
ancha.
Se ha confirmado que la inyección de electrones desde el colorante
excitado tal como el complejo N3 o RuL2 ( NCS ) 2 en la banda de
conducción TiO2 (CB ) es un proceso muy rápido en la escala de
femtosegundos . La reducción del colorante oxidado por los iones redox
I- del electrolito ocurre en aproximadamente 10-8 segundos.
La recombinación de electrones CB fotoinyectados con tinte de
moléculas oxidado o con la forma oxidada del par redox de electrolitos
(iones I3  ) se produce en microsegundos. Para lograr un buen
rendimiento cuántico, la constante de velocidad para la inyección de
carga debe estar en el rango de picosegundos. En conclusión, la
recuperación rápida del sensibilizador es importante para el logro de
la estabilidad a largo plazo.
Además, la separación de cargas de larga duración es un factor clave
muy importante para el rendimiento de las células solares. Los nuevos
diseños para agrandar moléculas de tinte sensibilizador conjugados han
sido reportados por los investigadores, por ejemplo se ha estudiado
super-moléculas híbridas que retardan de manera eficiente la
recombinación del estado de carga y por lo tanto aseguran una mayor
eficiencia de conversión de energía mediante la ampliación de la vida
útil de estados de carga inducidos por la luz.
Supermoléculahíbrida:Estaesla estructurade la tríada redox que diola separaciónde carga
más eficiente enel informede Haque. Latríada está hechade un complejode rutenio anclado
a TiO2 nanocristalino (el aceptorde electrones) yunidocovalentemente acadenaspoliméricas
de losgrupos de trifenil-amina(el donadorde electrones). El primer paso de
transferencia del electrón es la excitación inducida por la luz del
cromóforo. Despuésde estoun electrón se inyecta fácilmente a partir del
estado excitado enla banda de conduccióndel semiconductorTiO2.El proceso3, que es,
la recombinacióndirectade cargas separadas degradaría la energía absorbida en
calor. En esta supermolécula esto se evita mediante la reducción rápida del rutenio por
los grupos donantes de electrones trifenil-amina vinculados. El proceso de
recombinación secundaria entre el electrón inyectado y el radical amina oxidado se hace
cada vez más lento debido a la carga positiva que puede saltar de una función
trifenilamina a la adyacente a lo largo de la cadenay el agujero se aleja de la superficie
TiO2.