Les cellules solaires à colorant (DSSC) reposent sur des colorants qui absorbent la lumière pour mobiliser un courant d'électrons et sont une source prometteuse d'énergie propre. Jishan Wu de l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux A*STAR et ses collègues de Singapour ont maintenant développé des colorants à base de porphyrine de zinc qui captent la lumière dans les parties visible et proche infrarouge du spectre1. Leurs recherches suggèrent que la modification chimique de ces colorants pourrait améliorer la production d'énergie des DSSC.

Les DSSC sont plus faciles et moins chers à fabriquer que les cellules solaires au silicium conventionnelles, mais ils ont actuellement une efficacité moindre. Les colorants à base de ruthénium sont traditionnellement utilisés dans les DSSC, mais en 2011, des chercheurs ont développé un colorant plus efficace basé sur un atome de zinc entouré d'une molécule en forme d'anneau appelée porphyrine. Des cellules solaires utilisant ce nouveau colorant, appelé YD2-o-C8, convertir la lumière visible en électricité avec un rendement pouvant atteindre 12,3 %. L'équipe de Wu visait à améliorer cette efficacité en développant un colorant de porphyrine de zinc qui peut également absorber la lumière infrarouge.

Les colorants les plus réussis développés par l'équipe de Wu, WW-5 et WW-6, unir un noyau de porphyrine de zinc avec un système d'anneaux de carbone fusionnés pontés par un atome d'azote, connu sous le nom de groupe pérylène N-annulé. Les cellules solaires contenant ces colorants ont absorbé plus de lumière infrarouge que YD2-o-C8 et ont eu des efficacités allant jusqu'à 10,5 pour cent, correspondant aux performances d'une cellule YD2-o-C8 dans les mêmes conditions de test (voir image).

Des calculs théoriques indiquent qu'en reliant les sections porphyrine et pérylène de ces colorants par une triple liaison carbone-carbone, qui agit comme un lieur riche en électrons, amélioré le flux d'électrons entre eux. Cette liaison a également réduit l'énergie lumineuse nécessaire pour exciter les électrons dans la molécule, augmentant la capacité du colorant à récolter la lumière infrarouge.

L'ajout de groupes chimiques volumineux aux colorants a également amélioré leur solubilité et les a empêchés de s'agréger, ce qui a tendance à réduire l'efficacité des DSSC.

Cependant, WW-5 et WW-6 sont légèrement moins efficaces que YD2-o-C8 pour convertir la lumière visible en électricité, et ils produisent également une tension inférieure. "Nous essayons maintenant de résoudre ce problème par des modifications basées sur la structure chimique de WW-5 et WW-6, " dit Wu.

La comparaison des résultats de plus de colorants pérylène-porphyrine devrait indiquer des moyens de surmonter ces obstacles, et peut même étendre l'absorption de la lumière plus loin dans l'infrarouge. "La priorité absolue est d'améliorer l'efficacité de la conversion de puissance, " dit Wu. "Notre objectif est de pousser l'efficacité à plus de 13 pour cent dans un proche avenir."