Otimização da Posicionamento de Nanopartículas de Ouro em TiO₂ Aumenta Eficiência de Células Solares Sensibilizadas por Corante

Resumo

Fabricamos fotoânodos de TiO₂ que incorporam nanopartículas de ouro (AuNPs) em arquitetura empilhada controlada depositando sequencialmente pasta de TiO₂ e soluções de AuNPs em vidro de óxido de índio-estanho (ITO). Variando concentração de AuNPs em cada camada, exploramos como distribuição espacial de AuNPs dentro da matriz de TiO₂ influencia absorção óptica e desempenho do dispositivo. Aumento de absorção plasmônica e saída fotovoltaica mais pronunciados foram observados quando camada densa de AuNPs (≈1,3 µg cm⁻²) foi posicionada próxima à profundidade de penetração do TiO₂ que corresponde à absorção de pico do corante N719 (~520 nm). Nesta configuração, densidade de corrente de curto-circuito (Jsc) subiu para 10,8 mA cm⁻² e eficiência de conversão de energia (η) atingiu 5,0% — melhoria de 15% e 11% relativas a células de referência sem AuNPs. Estes achados confirmam que posicionamento deliberado de AuNPs dentro de TiO₂ é estratégia crítica para maximizar desempenho de DSCS.

Introdução

Células solares sensibilizadas por corante (DSSCs) longamente reconhecidas por sua fabricação de baixo custo, escalável e amigável ao ambiente. Não obstante, suas eficiências de conversão de potência ainda ficam atrás de tecnologias de perovskita, filme fino e silício cristalino. Métodos tradicionais para aumentar absorção, como espessar camada de TiO₂, inadvertidamente aumentam recombinação de elétrons. Nanofoônica oferece alternativa: nanopartículas metálicas geram ressonâncias de plasmon de superfície localizadas que amplificam campo eletromagnético local e espalham luz, estendendo caminho óptico dentro da célula. Nanopartículas de ouro e prata são favorecidas porque suas ressonâncias plasmônicas estão no espectro visível onde a maioria dos corantes absorve. Embora numerosos estudos tenham demonstrado melhorias plasmônicas, distribuição de profundidade ótima de AuNPs no andaime de TiO₂ permanece inexplorada. Como Au e Ag são custosos, posicionamento judicioso poderia reduzir uso de material enquanto maximiza desempenho.

Materiais e Métodos

Síntese de AuNPs

AuNPs de 20–90 nm sintetizadas pelo protocolo Turkevich. Solução 0,01% em peso HAuCl₄ fervida, e citrato trissódico adicionado para nucleação. Crescimento mediado por sementes subsequente rendeu partículas de 40 nm, 60 nm e 90 nm. Após centrifugação, AuNPs dispersas em mistura solvente 1:10 (água:etanol) para deposição. Para partículas de 20 nm, casca de SiO₂ de 20 nm crescida via método Stöber para suprimir recombinação de carga.

Fabricação do Fotoânodo

Vidro ITO (resistência superficial ≈10 Ω sq⁻¹) limpo e revestido com pasta de TiO₂ usando serigrafia. Cada camada (~1,1 µm espessa) queimada a 450 °C por 15 min. AuNPs depositadas por gota-casting em superfície de TiO₂ recozida e secas ao ar; peso de AuNPs na solução medido para controlar densidade. Repetindo deposição de TiO₂ e AuNPs, criamos estruturas empilhadas com camadas de AuNPs em profundidades predeterminadas. Recocimento final a 500 °C por 30 min consolidou camadas. Carregamento de corante envolveu imersão do fotoânodo em 0,3 mM N719 (etanol) por 20 h a 25 °C. Contraeletrodos preparados por gota-casting de precursor Pt 2 mg mL⁻¹ em vidro TCO, seguido por recocimento a 400 °C por 30 min. Células montadas com espaçador Himilan 50 µm e seladas com vidro de cobertura. Eletrolito (0,05 M I₂, 0,05 M LiI, 0,6 M DMPII, 0,5 M TBP em acetonitrila) introduzido sob vácuo para preencher cavidade.

Caracterização

Espectros de absorção UV-Vis registrados (100 mW cm⁻², AM 1,5). TEM verificou AuNPs monodispersas, esféricas. MEV examinou morfologia superficial. Espessura de TiO₂ medida por perfilômetro de superfície. Curvas J-V e espectros IPCE obtidos usando sistema espectroscópico calibrado com área ativa 0,05 cm².

Resultados e Discussão

Efeitos de Tamanho de AuNPs

Espectros de absorção confirmaram deslocamento para vermelho esperado com aumento de tamanho de AuNPs, enquanto imagens TEM verificaram monodispersidade até 60 nm. DSSCs incorporando AuNPs de 40 nm exibiram maiores melhorias (≈45% aumento em Jsc) sem comprometer V_oc ou FF. Partículas menores de 20 nm requereram passivação por SiO₂ para evitar perdas de V_oc, provavelmente devido a recombinação na superfície metálica.

Densidade e Posição Ótima de AuNPs

Em filme de TiO₂ de 6 µm, densidade de AuNPs por camada variou de 0 a 5,4 µg cm⁻². Jsc e η pico em 1,3 ou 2,7 µg cm⁻²; além disto, agregação reduziu benefícios plasmônicos e bloqueou luz incidente. Medidas de absorbância revelaram que posicionar camada de AuNPs próximo a 4,0 µm da superfície ITO — coincidente com profundidade de absorção de 520 nm do N719 — maximiza aumento de campo luminoso e IPCE. Incrementos IPCE abrangeram 350–750 nm, pico próximo a 520 nm, espelhando diretamente aumento de absorção.

Múltiplas Camadas de AuNPs

Inserindo camadas de AuNPs em 1,1, 2,2 e 3,3 µm (P1–P3), exploramos efeitos cumulativos. Configuração com camada de alta densidade (1,3 µg cm⁻²) em P3 e densidades menores (0,65 µg cm⁻²) em P1 e P2 entregou melhor desempenho: Jsc = 10,8 mA cm⁻², η = 5,0% — ganho de 15% e 11% sobre referência. Isto sugere que camada de AuNPs de alta densidade deve residir na profundidade de penetração da absorção de pico do corante, enquanto densidades modestas próximo à frente da célula mitigam perdas por espalhamento.

Conclusões

Nosso estudo sistemático demonstra que posicionamento estratégico de AuNPs dentro de camadas de TiO₂ — especificamente concentrando-as na profundidade onde luz de 520 nm é totalmente absorvida — rende maior aumento plasmônico em DSSCs. Camadas de AuNPs de baixa densidade próximo à superfície iluminada further melhoram desempenho aumentando acoplamento de luz sem induzir recombinação significativa. Estes insights sublinham importância de controle de distribuição de nanopartículas para células solares sensibilizadas por corante custo-efetivas e de alta eficiência.