Мезоскопические солнечные элементы, сенсибилизированные к красителю (DSCS), были изобретены в 1990-х годах Брайаном О'Риганом и Майклом Гретцелем, взяв название последнего - всемирно известные ячейки Гретцеля. DSCS преобразуют свет в электричество с помощью фотосенсибилизаторов - красящих соединений, которые поглощают свет и вводят электроны в массив оксидных нанокристаллов, которые впоследствии собираются в виде электрического тока.

В DSCs фотосенсибилизаторы прикрепляются ("адсорбируются") к поверхности нанокристаллических мезопористых пленок диоксида титана, которые пропитаны окислительно-восстановительными активными электролитами или твердым материалом для переноса заряда - вся конструкция направлена на выработку электроэнергии путем перемещения электронов от фотосенсибилизатора к электрическому выходу, такому как устройство или накопитель..

DSCS прозрачны, могут быть изготовлены в нескольких цветах по низкой цене и уже используются в мансардных окнах, теплицах, а также на стеклянных фасадах, таких как те, что украшают конференц-центр SwissTech. Кроме того, легкие гибкие версии DSCS в настоящее время широко продаются в коммерческих целях для питания портативных электронных устройств, таких как наушники и электронные ридеры, а также в Интернете вещей с использованием рассеянного света.

Недавние достижения в области фотосенсибилизаторов и других компонентов DSCs улучшили производительность DSCs как при солнечном свете, так и при окружающем освещении. Но ключ к повышению эффективности ДСК лежит в понимании и контроле сборки молекул красителя на поверхности пленок наночастиц диоксида титана, которые способствуют генерации электрического заряда.

Одним из методов является косенсибилизация, подход к химическому изготовлению, при котором получают DSCs с двумя или более различными красителями, которые обладают дополнительным оптическим поглощением. Косенсибилизация привела к тому, что эффективность преобразования энергии DSCs достигла рекордных значений, поскольку она позволяет комбинировать красители, способные поглощать свет из всего светового спектра. Тем не менее, косенсибилизация также оказалась неэффективной в некоторых случаях, поскольку поиск правильных пар красителей, которые могут обеспечить высокое поглощение света и эффективность преобразования энергии, требует кропотливого молекулярного проектирования, синтеза и скрининга.

Теперь ученые из групп Гретцеля и Андерса Хагфельдта из EPFL разработали способ улучшения упаковки двух недавно разработанных молекул фотосенсибилизатора-красителя для повышения фотоэлектрических характеристик DSC. Вместе новые фотосенсибилизаторы могут количественно улавливать свет во всей видимой области. Новый метод включает предварительную адсорбцию 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.

Благодаря такому подходу команда смогла впервые разработать DSCS с эффективностью преобразования энергии 15,2% при стандартном глобальном моделировании солнечного света, при этом долгосрочная стабильность работы была протестирована в течение 500 часов. За счет увеличения активной площади до 2,8 см², эффективность преобразования мощности составляла 28,4% -30,2% в широком диапазоне интенсивности окружающего света наряду с выдающейся стабильностью.

Авторы пишут: "Наши результаты открывают путь к легкому доступу к высокопроизводительным DSCS и открывают многообещающие перспективы для применения в качестве источника питания и замены батарей для маломощных электронных устройств, которые используют окружающий свет в качестве источника энергии".