Сенсибилизированные красителем солнечные элементы (СКСЭ): инженерное проектирование сенсибилизаторов, фотофизические принципы и стратегии повышения эффективности преобразования энергии — обзор

Аннотация

В данном обзоре рассматриваются фундаментальные принципы фотоэлектрического преобразования солнечной энергии и современное состояние исследований сенсибилизированных красителем солнечных элементов (СКСЭ) как перспективной технологии третьего поколения для экологически устойчивого применения в энергетике. Особое внимание уделяется красителю-сенсибилизатору как ключевому компоненту СКСЭ, определяющему спектральные характеристики, эффективность инжекции электронов в наноструктурированный полупроводник TiO2, а также долговременную стабильность устройства. В обзоре обобщены характеристики трех основных классов сенсибилизаторов: комплексов рутения, безметалльных органических красителей донорно–π–акцепторного (D–π–A) типа на основе трифениламина и природных пигментов, включая антоцианы, беталаины, хлорофиллы и каротиноиды. Проведен сравнительный анализ их оптических характеристик поглощения, энергетических уровней HOMO/LUMO, фотостабильности и особенностей адсорбции на поверхности TiO2. Комплексы рутения по-прежнему остаются эталонными сенсибилизаторами, обеспечивающими эффективность преобразования энергии (PCE) на уровне приблизительно 10–14%. В то же время органические красители на основе трифениламина (TPA) демонстрируют сопоставимые характеристики, предоставляя более широкие возможности структурной модификации и снижая потенциальную токсичность. Напротив, природные красители характеризуются относительно низкой эффективностью, обусловленной узким спектром поглощения и ограниченной фотохимической стабильностью. Также обсуждаются современные стратегии повышения эффективности СКСЭ, включая ко-сенсибилизацию, применение окислительно-восстановительных медиаторов на основе кобальта и меди, наноструктурирование TiO2, разработку молекулярных архитектур типа D–A–π–A и интеграцию металл-органических каркасных структур (MOFs). В заключение рассматриваются основные препятствия на пути коммерциализации СКСЭ, а также перспективные области их применения, такие как комнатные фотоэлектрические системы, Интернет вещей (IoT), фотоэлектрические системы, интегрированные в здания (BIPV), агровольтаика и разработка экологически безопасных фотоэлектрических систем.