Estudio de células solares basadas en tintes: transferencia de carga y energía en dispositivos con tintes naturales y sintéticos.

Abstract

El trabajo presenta la fabricación y caracterización de células solares sensibilizadas por colorante (DSSC) utilizando tanto un colorante sintético comercial (N3) como un extracto natural de piel de uva (Vitumac) y su versión modificada mediante tratamiento hidrotermal (C12). Se estudian las propiedades estructurales del TiO₂ (mediante DRX), las propiedades ópticas de los tintes en disolución y adsorbidos en TiO₂ (espectroscopía de absorción, excitación y emisión), los tiempos de vida de los estados excitados (decaimiento de fotoluminiscencia) y el comportamiento eléctrico de las células (curvas I–V y medidas dinámicas). Los espectros de absorción confirman la presencia de bandas características en N3 y una absorción amplia en Vitumac. La adsorción en TiO₂ extiende la absorción del sistema al visible, adaptándose al espectro solar. Las medidas de emisión muestran intensidades bajas para N3 (buena inyección) y mayores para Vitumac (posibles pérdidas radiativas). Los tiempos de vida muestran componentes rápidos (10–100 ns), intermedios (6–8 μs) y largos (>10 μs), variando según el tinte y las condiciones del sistema, lo que permite inferir procesos de recombinación y transferencia de carga. El análisis eléctrico revela la existencia de efecto fotovoltaico en todas las células. Las de N3 presentan eficiencias entre uno y dos órdenes de magnitud superiores a las basadas en Vitumac o C12, pero siguen siendo bajas (~0.01 %). Se observa corriente negativa en células con Vitumac y en N3 a baja intensidad, interpretado como transferencia de carga alternativa hacia el electrolito. El comportamiento de las curvas I–V indica pérdidas resistivas internas, atribuibles a difusión deficiente del electrolito y posible heterogeneidad en las capas de TiO₂. Se concluye que los tintes naturales son funcionales como sensibilizadores en DSSC, pero requieren optimización de síntesis y purificación. Se destaca el potencial de Vitumac para dispositivos tipo-p o aplicaciones en condiciones de baja intensidad lumínica.

This work reports the fabrication and characterization of dye-sensitized solar cells (DSSC) using both a commercial synthetic dye (N3) and a natural grape skin extract (Vitumac), as well as its version modified by hydrothermal treatment (C12). Structural properties of TiO₂ (via XRD), optical properties of the dyes in solution and adsorbed on TiO₂ (absorption, excitation, and emission spectroscopy), excited state lifetimes (photoluminescence decay), and the electrical behavior of the cells (I–V curves and dynamic measurements) have been studied. Absorption spectra confirm the presence of characteristic peaks in N3 and broad absorption in Vitumac. Adsorption on TiO₂ extends the system’s absorption into the visible, matching the terrestrial solar spectrum. Emission measurements show low intensities for N3 (indicating efficient injection) and higher values for Vitumac (possible radiative losses). Lifetimes exhibit fast (10–100 ns), intermediate (6–8 μs), and long (>10 μs) components, varying with dye and system conditions, allowing inference of recombination and charge transfer processes. Electrical analysis reveals photovoltaic effect in all cells. N3-based cells show efficiencies one to two orders of magnitude higher than those with Vitumac or C12, but still low (0.01 %). Negative current is observed in Vitumac cells and in N3 at low light intensities, interpreted as alternative charge transfer to the electrolyte. The I–V curves indicate internal resistive losses, attributed to poor electrolyte diffusion and possible heterogeneity in TiO₂ layers. It is concluded that natural dyes are functional as DSSC sensitizers, but require synthesis and purification optimization. Vitumac shows potential for p-type devices or applications under low light intensity conditions.