Kleurstofgevoelige zonnecellen (DSSC's) zijn afhankelijk van kleurstoffen die licht absorberen om een ​​elektronenstroom te mobiliseren en zijn een veelbelovende bron van schone energie. Jishan Wu van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering en collega's in Singapore hebben nu zinkporfyrinekleurstoffen ontwikkeld die licht oogsten in zowel het zichtbare als het nabij-infrarode deel van het spectrum1. Hun onderzoek suggereert dat chemische modificatie van deze kleurstoffen de energie-output van DSSC's zou kunnen verbeteren.

DSSC's zijn gemakkelijker en goedkoper te produceren dan conventionele siliciumzonnecellen, maar ze hebben momenteel een lager rendement. Op ruthenium gebaseerde kleurstoffen worden traditioneel gebruikt in DSSC's, maar in 2011 ontwikkelden onderzoekers een efficiëntere kleurstof op basis van een zinkatoom omringd door een ringvormig molecuul dat porfyrine wordt genoemd. Zonnecellen die deze nieuwe kleurstof gebruiken, genaamd YD2-o-C8, zet zichtbaar licht om in elektriciteit met een efficiëntie tot 12,3 procent. Het team van Wu wilde die efficiëntie verbeteren door een zinkporfyrinekleurstof te ontwikkelen die ook infrarood licht kan absorberen.

De meest succesvolle kleurstoffen ontwikkeld door het team van Wu, WO-5 en WO-6, verenig een zinkporfyrinekern met een systeem van gefuseerde koolstofringen overbrugd door een stikstofatoom, bekend als een N-geannuleerde peryleengroep. Zonnecellen die deze kleurstoffen bevatten, absorbeerden meer infrarood licht dan YD2-o-C8 en hadden een efficiëntie tot 10,5%, overeenkomend met de prestaties van een YD2-o-C8-cel onder dezelfde testomstandigheden (zie afbeelding).

Theoretische berekeningen geven aan dat het verbinden van de porfyrine- en peryleensecties van deze kleurstoffen door een drievoudige koolstof-koolstofbinding, die fungeert als een elektronenrijke linker, verbeterde de stroom van elektronen tussen hen. Deze binding verminderde ook de lichtenergie die nodig is om elektronen in het molecuul te exciteren, het versterken van het vermogen van de kleurstof om infrarood licht te oogsten.

Het toevoegen van omvangrijke chemische groepen aan de kleurstoffen verbeterde ook hun oplosbaarheid en voorkwam dat ze aggregeerden - iets dat de efficiëntie van DSSC's vermindert.

Echter, zowel WW-5 als WW-6 zijn iets minder efficiënt dan YD2-o-C8 bij het omzetten van zichtbaar licht in elektriciteit, en ze produceren ook een lagere spanning. "We proberen dit probleem nu op te lossen door middel van aanpassingen op basis van de chemische structuur van WW-5 en WW-6, ' zegt Wu.

Het vergelijken van de resultaten van meer peryleen-porfyrinekleurstoffen zou manieren moeten aangeven om deze hindernissen te overwinnen, en kan de lichtabsorptie zelfs verder uitbreiden tot in het infrarood. "De topprioriteit is het verbeteren van de efficiëntie van de stroomconversie, ", zegt Wu. "Ons doel is om de efficiëntie in de nabije toekomst naar meer dan 13 procent te brengen."