Dye-multilayer semiconductor nanostructures

Broadening of the spectral response of dye-sensitized semiconductor devices is one of the major issues confronting practical application of dye-sensitization. It is the main factor limiting the energy conversion efficiencies of dye-sensitized solar cells. Synthesis of dyes with broader spectral response has been attempted as a possible strategy. The other method is to adopt more than one pigment. However, the straightforward ways of doing this has been unsuccessful owing to the quenching and the insulating effect of thick dye layers composed of many components. Again, if several dyes are homogeneously dispersed over the nanocrystalline surface at sub-monolayer coverage of each dye, the problem of quenching and insulation may be avoided. Here we face another constraint. In order to achieve full absorption at the peak wavelength of each dye, the film thickness needs to increase, the limit for which is the diffusion length of carriers in the nanocrystalline matrix. We have found some ways of circumventing the above difficulties and construct model solar cells sensitized with more than one pigment. A solar cell of the configuration n-TiO2/D1–D2/p-CuSCNn-TiO2/D1–D2/p-CuSCN was constructed, where D1 = an ionic dye bonded to the TiO2 surface and D2 = ionic dye of opposite charge, electrostatically bonded to D1. In another cell, two dyes D1 and D2 are used form the heterostructure n-TiO2/D1/ S/ D2/p-CuSCNn-TiO2/D1/ S/ D2/p-CuSCN, where S is an ultra-thin barrier of a high band gap semiconductor. Each of the above double dye-systems showed efficiencies above the equivalent single dye systems. These methods can also be extended to liquids cells. A better suppression of electron-hole recombination was found to be an additional advantage of multiple dye systems. The mechanisms of operation of these devices via electron or energy transfer or electron tunneling will be discussed. To cite this article: P.K.D. Duleepa P. Pitigala et al., C. R. Chimie 9 (2006).

RésuméÉlargir le domaine de réponse spectrale des dispositifs semiconducteurs sensibilisés par un colorant est un des problèmes majeurs auxquels est confrontée l′application de la sensibilisation par un colorant. Il s'agit du facteur principal limitant le rendement de conversion de l'énergie des cellules solaires à colorant. La synthèse de colorants possédant un spectre d'absorption plus large est considérée comme une stratégie possible. Une autre méthode possible préconise l'utilisation de plusieurs pigments (colorants). Toutefois, les manières les plus directes de le faire n'ont pas été couronnées de succès, à cause de l'effet bloquant et isolant des couches épaisses de colorants à plusieurs composants. Néanmoins, si plusieurs colorants sont dispersés de façon homogène sous forme de sous-couches sur une surface nanocristalline, le problème de blocage et de passivation peut être évité. Cependant, on se trouve en face d'une nouvelle contrainte à résoudre, à savoir que, pour obtenir une absorption complète au pic d′absorption de chaque colorant, il est nécessaire d'augmenter l'épaisseur du film dans la limite de la longueur de diffusion des porteurs dans la matrice nanocristalline. Nous avons trouvé plusieurs façons de surmonter ces difficultés et construit des cellules solaires modèles sensibilisées avec plusieurs colorants. Une cellule solaire fondée sur la configuration n-TiO2/D1–D2/p-CuSCNn-TiO2/D1–D2/p-CuSCN a été construite, dans laquelle D1 est un colorant ionique lié à la surface de TiO2 et D2 est un colorant ionique de charge opposée, lié électrosttiquement à D1. Dans une autre cellule, nous avons utilisé les colorants D1 et D2 dans une hétérostructure n-TiO2/D1/S/D2/p-CuSCNTiO2/D1/S/D2/p-CuSCN, dans laquelle S est une barrière ultra-mince d'un semiconducteur à grand gap. Chacun des dispositifs à double colorant présente des rendements de conversion supérieurs à ceux des cellules solaires équivalentes à un seul colorant. Ces méthodes peuvent aussi être étendues aux cellules liquides. Une meilleure suppression de la recombinaison électron–trou a été obtenue, ce qui met en évidence un avantage supplémentaire des dispositifs à colorants multiples. Le mécanisme opérationnel de ces dispositifs sera discuté via le transfert d'électrons ou d'énergie, ou encore le tunneling des électrons. Pour citer cet article : P.K.D. Duleepa P. Pitigala et al., C. R. Chimie 9 (2006).