Hybrid Co-Sensitization Using Natural and Synthetic Boron-Based Dyes for Enhanced Dye-Sensitized Solar Cells

Abstract

This work investigates the application of the co-sensitization technique to improve the photovoltaic performance of dye-sensitized solar cells (DSSCs). Boron-based fluorescent dyes, such as Boranil and Bodipy, were synthesized and used as sensitizers, both individually and in different volumetric proportions. The performance of these systems was compared with that of natural dyes extracted from Chrysanthemum flowers. In the natural dye matrix, the Chrysanthemum Violeta (CV) extract demonstrated the best individual performance, registering a power conversion efficiency (PCE) of 1.35%, supported by a short-circuit current density (Jsc) of 0.85 mA/cm2, open-circuit voltage (Voc) of 0.58 V, and fill factor (FF) of 0.44. In the evaluation of the synthetic compounds under individual conditions, the Bodipy class showed superiority over Boranil, with the ATH1005 synthesis (Bodipy D) achieving a PCE of 2.26%. The mixture of Bodipy D and G dyes, arranged in a volumetric ratio of 1:3 (25%:75%), promoted the greatest utilization of the electromagnetic spectrum in the visible region of the study. This configuration resulted in a yield of 3.45%, accompanied by an FF of 0.39, Voc of 0.59 V and Jsc of 2.41 mA/cm2 under the same conditions. The optical characterization of the dyes was performed by UV-Vis and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), allowing the analysis of the absorption behavior and molecular structure of the sensitizers. The morphology and surface roughness of the electrodes were investigated by scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM), revealing differences in film uniformity and interaction with dyes. The photovoltaic performance of the DSSCs was evaluated by current density versus potential (J-V) and power versus potential (P-V) curves, complemented by electrochemical impedance spectroscopy (EIS), allowing the analysis of charge transport and recombination processes. The results indicate that co-sensitization with boron-based dyes is an effective strategy to enhance light capture and improve the performance of DSSC devices when compared to the use of individual dyes.

Este trabalho investiga a aplicação da técnica de cossensibilização para melhorar o desempenho fotovoltaico de células solares sensibilizadas por corante (DSSCs). Corantes fluorescentes baseados em complexos de boro, do tipo Boranil e Bodipy, foram sintetizados e utilizados como sensibilizadores, tanto de forma individual quanto em diferentes proporções volumétricas, conforme indicado pela Tabela 1. O desempenho desses sistemas foi comparado com o de corantes naturais extraídos de flores de Chrysanthemum. Na matriz de corantes naturais, o extrato de Chrysanthemum Violeta (CV) demonstrou o melhor desempenho individual, registrando uma eficiência de conversão energética (PCE) de 1.35%, suportada por uma densidade de corrente de curto-circuito (JSC) de 0.85 mA/cm², tensão de circuito aberto (VOC) de 0.58 V e fator de preenchimento (FF) de 0.44. Na avaliação dos compostos sintéticos em regime individual, a classe Bodipy exibiu superioridade frente ao Boranil, com a síntese ATH1005 (Bodipy D) alcançando um PCE de 2.26%. A mistura dos corantes Bodipy D e G, dispostos na proporção volumétrica de 1:3 (25%:75%), promoveu o maior aproveitamento do espectro eletromagnético na região visível do estudo. Esta configuração acarretou um rendimento (η) de 3.45%, acompanhado de um FF de 0.39, VOC de 0.59 V e JSC de 2.41 mA/cm² nas mesmas condições. A caracterização óptica dos corantes foi realizada por espectroscopia UV-Vis e infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), permitindo analisar o comportamento de absorção e a estrutura molecular dos sensibilizadores. A morfologia e a rugosidade superficial dos eletrodos foram investigadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia de força atômica (AFM), evidenciando diferenças na uniformidade dos filmes e na interação com os corantes. O desempenho fotovoltaico das DSSCs foi avaliado por curvas densidade de corrente versus potencial (J–V) e potência versus potencial (P–V), complementadas por espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS), permitindo analisar os processos de transporte de carga e recombinação. Os resultados indicam que a cossensibilização com corantes à base de boro é uma estratégia eficaz para ampliar a captação de luz e melhorar o desempenho de dispositivos DSSCs, quando comparada ao uso de corantes individuais.