Optimization of Photovoltaic Performance in DSSCs via CuO Doping of TiO2 and ZnO Photoanodes

Abstract

This work investigates the effect of copper oxide (CuO) doping on the performance of dye-sensitized solar cells (DSSCs) based on titanium dioxide (TiO2) and zinc oxide (ZnO). Hybrid photoanodes were prepared using TiO2 or ZnO doped with CuO at different concentrations (0-50 wt%). X-ray diffraction (XRD) analysis revealed structural modifications associated with dopant incorporation, with increased intensity of characteristic CuO peaks at higher concentrations. Morphological and elemental characterizations were carried out using scanning electron microscopy (SEM) and X-ray fluorescence (XRF), respectively. The DSSCs were sensitized with the standard N3 dye and with a natural extract of Vitis labrusca (V.L.), the presence of anthocyanins in which was confirmed by ultraviolet-visible (UV-Vis) and Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopies. Electrochemical measurements showed that CuO doping significantly enhances photovoltaic performance, with maximum efficiency achieved at 20 wt% doping. For devices sensitized with Vitis labrusca, conversion efficiencies of 1.15% for TiO2-CuO and 0.92% for ZnO-CuO were obtained. For N3-based devices, efficiencies reached 1.81% and 1.53%, respectively. In comparison, undoped photoanodes exhibited lower performance, with efficiencies of 0.18% (TiO2) and 0.14% (ZnO) for Vitis labrusca, and 0.85% (TiO2) and 0.70% (ZnO) for the N3 dye. These results demonstrate that CuO doping leads to a significant improvement in photovoltaic efficiency, particularly in systems using natural sensitizers. The incorporation of CuO into TiO2 and ZnO photoanodes represents an effective strategy to enhance DSSC performance, highlighting the potential of these systems as sustainable alternatives for solar energy conversion.

Este trabalho investiga o efeito da dopagem com óxido de cobre (CuO) no desempenho de células solares sensibilizadas por corante (DSSCs) baseadas em dióxido de titânio (TiO₂) e óxido de zinco (ZnO). Fotoanodos híbridos foram preparados utilizando TiO₂ ou ZnO dopados com CuO em diferentes concentrações (0–50 wt%). A análise por difração de raios X (DRX) evidenciou modificações estruturais associadas à incorporação do dopante, com aumento da intensidade dos picos característicos do CuO em maiores concentrações. A morfologia e composição elementar foram avaliadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e fluorescência de raios X (FRX), respectivamente. As DSSCs foram sensibilizadas com o corante padrão N3 e com extrato natural de Vitis labrusca (V.L.), cuja presença de antocianinas foi confirmada por espectroscopias no ultravioleta-visível (UV-Vis) e no infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR). Os resultados eletroquímicos indicaram que a dopagem com CuO promoveu melhoria significativa no desempenho fotovoltaico, com eficiência máxima observada para 20 wt% de dopante. Para dispositivos sensibilizados com Vitis labrusca, foram obtidas eficiências de 1,15% para TiO₂–CuO e 0,92% para ZnO–CuO. Para o corante N3, os valores atingiram 1,81% e 1,53%, respectivamente. Em comparação, os fotoanodos não dopados apresentaram desempenho inferior, com eficiências de 0,18% (TiO₂) e 0,14% (ZnO) para Vitis labrusca, e 0,85% (TiO₂) e 0,70% (ZnO) para o corante N3. Esses resultados demonstram que a dopagem com CuO resulta em um aumento expressivo na eficiência, especialmente para sistemas sensibilizados com corantes naturais. A incorporação de CuO em fotoanodos de TiO₂ e ZnO mostrou-se uma estratégia eficaz para melhorar a conversão fotovoltaica em DSSCs, destacando o potencial desses sistemas como alternativas sustentáveis para geração de energia.