Fotoanodos compostos projetados com ZnO@SnO2 para células solares sensibilizadas por corante

Scientific Reports volume 5, Número do artigo: 14523 (2015) Citar este artigo

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O conceito multi-óxido em camadas foi aplicado para a fabricação de fotoanodos para células solares sensibilizadas por corantes com base em ZnO e SnO2, capitalizando as propriedades benéficas de cada óxido. O efeito de diferentes combinações de camadas de ZnO@SnO2 foi investigado, visando explorar a alta mobilidade de portadores fornecida pelo ZnO e a maior estabilidade sob irradiação UV prometida pelo SnO2. Os fotoânodos de bióxido tiveram um desempenho muito melhor em termos de eficiência de fotoconversão (PCE) (4,96%) em comparação com SnO2 puro (1,20%) e ZnO (1,03%). A cooperação sinérgica é eficaz tanto para tensão de circuito aberto quanto para densidade de fotocorrente: valores aprimorados foram realmente registrados para o fotoânodo em camadas em comparação com óxidos nus (Voc aprimorado de 0,39 V no caso de SnO2 nu para 0,60 V e Jsc melhorado de 2,58 mA/cm2 pertencente para ZnO único para 14,8 mA/cm2). Desempenhos funcionais aprimorados da rede em camadas foram atribuídos à otimização de alta capacitância química (fornecida pelo SnO2) e baixa resistência à recombinação (garantida pelo ZnO) e inibição da transferência de elétrons da banda de condução do SnO2 para as espécies oxidadas do eletrólito . Comparado com os resultados relatados anteriormente, este estudo atesta como um projeto de eletrodo simples é poderoso para melhorar o desempenho funcional do dispositivo final.

Células solares sensibilizadas por corantes (DSSCs) têm despertado notável interesse desde 1991, após a publicação do estudo pioneiro de O'Regan e Gratzel1. Estas células fotoeletroquímicas prometem ser uma alternativa eficaz à energia fotovoltaica (PV) baseada em silício, devido ao seu baixo custo (tanto nos materiais aplicados quanto nos processos de fabricação) e ao seu impacto ambiental reduzido2,3,4. Embora suas performances sejam inferiores (a eficiência de fotoconversão não supera 14%) do que o PV5 tradicional, devido à limitação intrínseca no transporte de carga, os esforços dedicados à melhoria dos dispositivos não foram reduzidos.

O sistema mais estudado explora um filme espesso (12–18 μm) de nanopartículas de TiO2 (NPs) como fotoanodo, mas um certo interesse está sendo focado também em outros óxidos metálicos semicondutores potencialmente adequados, como ZnO, SnO2, Nb2O5 e WO3 6,7 ,8,9,10,11. Entre eles, ZnO e SnO2 são os candidatos mais atraentes, devido à sua maior mobilidade eletrônica, em comparação com TiO212,13 e vantagens específicas, como um band gap de ZnO e posicionamento de banda energeticamente semelhante ao TiO2 14 e um band gap maior (3,8 eV vs 3,2 eV) do SnO2 em comparação com o TiO2, o que deve garantir maior estabilidade sob iluminação UV15. No entanto, até agora, os desempenhos dos dispositivos registrados pela aplicação desses óxidos foram inferiores aos fornecidos pelos TiO2 NPs: esses resultados vêm de diferentes questões relacionadas ao ZnO e SnO2. No ZnO uma razão aduzida por vários autores é a instabilidade deste material em meios ácidos, ou seja, a imersão prolongada de ZnO no corante N719 leva à formação de uma camada complexa de Zn2+-N719 sobre a superfície de ZnO que afeta a taxa de injeção de elétrons16, embora um grande o papel nas performances reduzidas parece ser desempenhado pela própria injeção17,18.

No caso do SnO2, desempenhos insatisfatórios estão relacionados a processos de recombinação e alinhamento de bandas desfavorável do óxido em relação ao orbital molecular desocupado mais baixo (LUMO) do corante à base de Ru N719, que ainda é o corante mais amplamente aplicado em DSSCs, resultando em fotovoltagens bastante reduzidas19.

Uma estratégia potencialmente poderosa para superar as limitações individuais de ZnO e SnO2 é a aplicação de ambos os materiais simultaneamente. Essa abordagem ganhou fama desde o estudo de Tennakone e colaboradores em 199920, no qual os autores aplicaram com sucesso como fotoanodo um filme poroso composto de ZnO-SnO2 misto, apresentando uma eficiência de fotoconversão notavelmente alta (8%). Este resultado ainda mantém todo o seu valor, sendo o maior desempenho já registrado para um DSSC baseado em SnO2. No entanto, apesar de várias tentativas, até agora ninguém conseguiu reproduzir este resultado notável. O grupo de Grätzel estudou a modificação da superfície do SnO2 nanocristalino com uma fina camada de diferentes óxidos metálicos, concluindo que a maior melhoria dessa configuração pode ser atribuída ao aumento da absorção de corante (fotocorrente gerada) juntamente com a supressão da recombinação de carga de SnO2 para base de iodo eletrólito21. Abordagem semelhante foi proposta por Zaban e colegas de trabalho22, que exploraram presumivelmente nanopartículas core@shell MxOy@SnO2 procurando um caminho privilegiado para a coleta de carga fotogerada. O conceito básico explorado nesses sistemas mistos de óxidos metálicos é a criação de caminhos com a menor energia possível para a difusão dos elétrons pelos fotoanodos, induzindo um alinhamento de bandas mais favorável em todo o sistema (corante/óxido metálico 1/óxido metálico 2). Esta é também a principal razão por trás da prática usualmente adotada de depositar uma camada de TiO2 sobre o ânodo de SnO2 através de um tratamento de TiCl4.