Scientific Article
Русский
Open Access
Влияние морфологии фотоанодов DSSC на характеристики фотоэлектрических преобразователей
Abstracts
The abstract is not available in Uzbek.
В статье исследуется роль морфологии диоксида титана (TiO₂) в формировании фотоэлектрических характеристик красительно-сенсибилизированных солнечных элементов (DSSC). На основе сравнительного анализа публикаций 2023–2025 годов рассмотрены наноструктуры TiO₂ различных форм: наночастицы, нанотрубки, нанопроволоки, нанофибры и композиты с металлическими наночастицами. Центральное место занимает взаимосвязь между морфологией фотоанода, эффективностью переноса электронов и степенью адсорбции красителя. По итогам анализа актуальных исследований определены оптимальные морфологические параметры TiO₂, способствующие повышению эффективности DSSC.
This paper examines the role of titanium dioxide (TiO₂) morphology in shaping the photoelectric characteristics of dye-sensitized solar cells (DSSC). Drawing on a comparative analysis of publications from 2023– 2025, various TiO₂ nanostructure forms are reviewed, including nanoparticles, nanotubes, nanowires, nanofibers, and composites with metallic nanoparticles. Central focus is placed on the relationship between photoanode morphology, electron transfer efficiency, and the degree of dye adsorption. Based on the analysis of current research, optimal morphological parameters of TiO₂ are identified that contribute to improved DSSC performance.
Article Content
Введение. За последнее время область альтернативной энергетики переживает активный подъём, и солнечные элементы на основе органических и гибридных материалов занимают в ней всё более заметное место. Среди перспективных направлений особого внимания заслуживает технология красительно-сенсибилизированных солнечных элементов (Dye-Sensitized Solar Cells, DSSC), впервые представленная М. Гретцелем и Б. О'Риганом в 1991 году. Ключевыми преимуществами данной технологии являются доступность производства, конструктивная гибкость и возможность применения относительно недорогих материалов. Рабочие характеристики DSSC определяются целым рядом факторов, однако структура и морфология фотоанода играют среди них первостепенную роль. Диоксид титана (TiO₂) традиционно выступает основным материалом фотоанода благодаря высокой химической стабильности, широкому диапазону оптической прозрачности и подходящей энергетической зонной структуре. Вместе с тем фотогенерация и перенос зарядов в DSSC непосредственно зависят от формы, размеров и пористости наноструктур TiO₂, что превращает морфологию в один из ключевых параметров при разработке подобных устройств. Разнообразные морфологические формы TiO₂ – наночастицы, нанотрубки, нанопроволоки, нанофибры, а также их композиты с металлическими наночастицами (Ag, Cu, ZnO) – проявляют неодинаковые свойства в плане адсорбции красителя и переноса электронов. Так, нанопроволоки формируют одномерный канал переноса заряда, что существенно снижает вероятность рекомбинации, тогда как мезопористые наночастицы отличаются развитой удельной поверхностью и высокой эффективностью фиксации молекул красителя. Настоящая работа направлена на изучение того, как морфологические особенности TiO₂ сказываются на эффективности DSSC, а также на систематизацию актуальных экспериментальных данных за 2023–2025 годы, касающихся синтеза и структурирования фотоанодов. Полученные выводы дают возможность определить наиболее перспективные
“Fan va texnologiyalar taraqqiyoti” Ilmiy-texnikaviy jurnal №1/2026 58
Chemistry and chemical technologies
типы морфологий и подходящие методы их формирования в целях повышения эффективности солнечных элементов следующего поколения. Теоретические основы сенсибилизированных красителем солнечных элементов (DSSC). Красительно-сенсибилизированные солнечные элементы (DSSC) представляют собой гибридные фотоэлектрохимические устройства, в которых поглощение света и генерация носителей заряда обеспечиваются фотовозбуждением молекул красителя, адсорбированных на поверхности наноструктурированного полупроводникового слоя. В отличие от традиционных кремниевых аналогов, где оба процесса протекают в объёме полупроводника, DSSC разграничивают функции светопоглощения и переноса электронов между разными материалами – это открывает возможность применения доступных материалов и упрощённых производственных процессов. Типичная структура DSSC включает следующие компоненты: 1. Прозрачный токопроводящий электрод (TCO) – обычно стекло, покрытое слоем фторсодержащего оксида олова (FTO) или индий-оловянного оксида (ITO). 2. Фотоанод – слой нанокристаллического TiO₂, на поверхности которого адсорбированы молекулы красителя. 3. Краситель (сенсибилизатор) – органическая или металлоорганическая молекула, способная поглощать фотоны и генерировать возбужденные электроны. 4. Электролит – чаще всего на основе иодид/триодидной (I⁻/I₃⁻) пары, обеспечивающий перенос дырок от красителя к контрэлектроду. 5. Контрэлектрод – как правило, стекло с осаждённым слоем платины или углеродного наноматериала, служащее для восстановления редокс-пары электролита. Существенное влияние на характеристики DSSC оказывает состав электролита, обеспечивающего перенос и восполнение заряда между фотоанодом и контрэлектродом. Данная зависимость была детально изучена в работе Маматкаримова О.О. и соавторов, где анализировались свойства жидких и гелевых электролитов на основе тетрапропиламмонийной соли [7]. Принцип работы DSSC можно описать последовательностью фотоэлектрохимических процессов: 1. Поглощение фотона молекулой красителя и переход её в возбужденное состояние (D + hv → D*). 2. Инжекция электрона из возбужденного красителя в зону проводимости TiO₂ (D* → D⁺ + e⁻(TiO₂)). 3. Транспорт электрона через слой TiO₂ к прозрачному электродному слою (FTO). 4. Восстановление окисленного красителя за счёт отдачи электрона из редокс-пары электролита (D⁺ + I⁻ → D + I₃⁻). 5. Восстановление I₃⁻ до I⁻ на контрэлектроде (I₃⁻ + 2e⁻ → 3I⁻). При увеличении плотности дефектов и неоднородности структуры TiO₂ возрастает вероятность рекомбинации электронов, что снижает время их жизни. Время переноса носителей можно приближённо оценить по выражению:
𝜏= 𝐿2
𝐷𝑛,,
Где: L – длина пути диффузии, а Dn – коэффициент диффузии электронов, который напрямую зависит от морфологии наноструктуры [1]. Эффективность DSSC зависит от согласованности всех этих процессов, однако ключевую роль играет морфология TiO₂, определяющая степень адсорбции красителя, скорость переноса и вероятность рекомбинации электронов. Эффективность работы сенсибилизированных красителем солнечных элементов определяется совокупностью фотогенерации носителей заряда, скоростью их переноса и рекомбинации. В обобщённом виде КПД устройства можно выразить как:
Development of science and technology Scientific and technical journal №2/2026 59
Kimyo va kimyoviy texnologiyalar
𝜂= 𝐽𝑠𝑐∙𝑉𝑜𝑐∙𝐹𝐹 𝑃𝑖𝑛
,
Где: Jsc – ток короткого замыкания, Voc – напряжение холостого хода, FF – фактор заполнения, Pin– мощность падающего излучения. Jsc, Voc и FF зависят от морфологических характеристик слоя TiO₂ и его взаимодействия с красителем [1]. Поэтому дальнейшие исследования сосредоточены на изучении структуры наночастиц, их пористости, а также межфазных границ между TiO₂, красителем и электролитом. Морфология TiO₂ фотоанодов и методы их получения. Морфология фотоанода относится к числу наиболее значимых параметров, во многом определяющих эффективность DSSC. Структура наночастиц диоксида титана (TiO₂) влияет не только на площадь активной поверхности, но и на процессы транспорта и рекомбинации электронов, а также на степень адсорбции молекул красителя. Для достижения высоких показателей эффективности DSSC требуются наноструктуры с развитой пористостью, достаточной оптической прозрачностью и хорошей электронной проводимостью. Морфологические параметры, такие как размер частиц и пористость TiO₂, определяют количество молекул красителя, участвующих в поглощении света, и, следовательно, плотность фототока. Этот параметр можно описать выражением:
𝐽𝑠𝑐 = 𝑞∫𝜙(𝜆)𝜂𝐼𝑃𝐶𝐸(𝜆)𝑑𝜆,
Где: ϕ(λ) – поток фотонов, а ηIPCE– квантовый выход, чувствительный к морфологии фотоанода [1]. Такие морфологические характеристики, как размер частиц и пористость TiO₂, напрямую влияют на количество молекул красителя, задействованных в поглощении света, и тем самым определяют плотность фототока. Сол-гель метод. Сол-гель технология относится к числу наиболее распространённых и технологически доступных методов получения наноструктур TiO₂. В её основе лежат реакции гидролиза и конденсации прекурсоров — как правило, тетрабутилтитаната (Ti(OC₄H₉)₄) или тетрахлорида титана (TiCl₄). При управляемом изменении pH и температуры формируется золь, который впоследствии переходит в гель и после термической обработки образует пористую оксидную структуру. К основным достоинствам сол-гель метода относятся невысокая температура синтеза, равномерное распределение частиц и возможность гибкого управления пористостью слоя. Вместе с тем метод не лишён недостатков: характерна склонность частиц к агрегации, а механическая стабильность материала без последующего спекания остаётся относительно невысокой. Гидротермальный метод. Гидротермальный синтез позволяет формировать кристаллические наноструктуры TiO₂ при сравнительно невысоких температурах (100–200 °C) в условиях автоклава. Применение водных растворов прекурсоров под давлением способствует направленному росту наностержней, нанотрубок или нанолент с воспроизводимыми размерными характеристиками. Метод отличается высокой степенью кристалличности получаемых структур и возможностью контролируемого роста, что благоприятно сказывается на транспорте электронов и снижает вероятность их рекомбинации. Благодаря этим преимуществам гидротермальные наноструктуры TiO₂ нашли широкое применение в высокоэффективных DSSC. Анодное окисление. Анодное окисление титана представляет собой перспективный подход к получению упорядоченных массивов нанотрубок TiO₂. В ходе анодирования титановой фольги в электролите, содержащем фторид-ионы, электрохимическим путём
“Fan va texnologiyalar taraqqiyoti” Ilmiy-texnikaviy jurnal №1/2026 60
Chemistry and chemical technologies
формируется нанотрубчатая структура, отличающаяся высокой однородностью и контролируемой толщиной стенок. Ключевым достоинством данного метода служит формирование ориентированных наноструктур, обеспечивающих направленный транспорт электронов без рассеяния. Аноды на их основе демонстрируют повышенную плотность фототока и эффективность до 8–10%, особенно в сочетании с гибридными красителями и твердофазными электролитами. Пастовый метод (доктор-блейдинг, спин-котинг). В лабораторных условиях наибольшее распространение получил пастовый метод, предполагающий нанесение коллоидной суспензии наночастиц TiO₂ на прозрачный электрод (FTO) с последующим отжигом. Для этого применяются техники doctor blade, spin coating или screen printing, обеспечивающие контроль над толщиной и равномерностью формируемого слоя. Пастовый способ выгодно отличается простотой исполнения, воспроизводимостью результатов и возможностью масштабирования, что делает его привлекательным для крупносерийного производства DSSC. Управление размером частиц — как правило, в диапазоне 15–25 нм – позволяет достичь оптимального соотношения между светопоглощением, транспортом электронов и адсорбцией красителя. В целом выбор метода синтеза TiO₂ определяется требуемыми морфологическими характеристиками: пористостью, удельной площадью поверхности, степенью кристалличности и типом наноструктуры. Современные исследования всё активнее ориентированы на комбинирование различных методов с целью получения иерархических структур, обладающих улучшенными показателями захвата света и повышенной фотостабильностью. Сравнительный анализ современных исследований. Интерес исследователей к морфологии фотоанодов DSSC в последние годы заметно усилился, что обусловлено прямой зависимостью между структурой наночастиц TiO₂ и такими процессами, как перенос зарядов, адсорбция красителя и рекомбинация электронов. Современные работы охватывают широкий спектр подходов – от легирования и введения плазмонных добавок до формирования одномерных и иерархических наноструктур. Hsu и соавт. [1] изучили нанокомпозит TiO₂, легированный железом и серой. Полученные наночастицы размером около 10–35 нм отличались увеличенной удельной поверхностью, что повысило эффективность адсорбции красителя. Введение Fe/S-доноров в кристаллическую решётку расширило диапазон поглощения в видимой области, а итоговый PCE вырос более чем вдвое – с 3,43 % до 6,46 %. Joshi и коллеги [2] создали мезопористые сферы TiO₂ с декоративными наночастицами золота. Плазмонный эффект Au-наночастиц усиливал локальное электромагнитное поле, что обеспечило рост PCE до 7,7 % – примерно на 40 % выше относительно немодифицированных структур. Kraidy и соавт. [3] применили смесь коммерческих нанопорошков TiO₂ (Hombikat UV100 и P25). Сочетание частиц разного размера обеспечило баланс между высокой площадью поверхности и кристалличностью, позволив достичь эффективности около 4,9 % – выше, чем у однофазных аналогов на основе P25. В обзоре Srivastava и др. [4] детально рассмотрены одномерные морфологии TiO₂ – нанотрубки, нанопроволоки и наностержни. Показано, что направленный транспорт электронов в таких структурах снижает вероятность рассеяния и рекомбинации, повышая эффективность и стабильность DSSC. Khan и соавт. [5] исследовали комбинированный подход, объединяющий легирование и наноструктурирование поверхности TiO₂. Контроль размеров зёрен и формирование дефектных уровней улучшили перенос зарядов, обеспечив эффективность до 9,4 % при использовании рутениевых комплексов.
Development of science and technology Scientific and technical journal №2/2026 61
Kimyo va kimyoviy texnologiyalar
Sibiński и коллеги [6] сосредоточились на роли морфологии блокирующих слоёв TiO₂ и TiO₂:ZnO, нанесённых методом реактивного магнетронного напыления. Оптимизация толщины и микроструктуры этих слоёв снизила рекомбинационные потери на границе электрод–электролит и способствовала росту выходного напряжения (Voc) и фактора заполнения (FF). Таким образом, управление морфологией TiO₂ остаётся одним из наиболее действенных инструментов повышения эффективности DSSC. Сочетание наноструктурированных поверхностей, плазмонных наночастиц и оптимизированных межфазных контактов открывает возможность достижения показателей, сопоставимых с коммерческими аналогами. Обсуждение результатов и заключение. Проведённые исследования подтвердили, что морфология слоя TiO₂ оказывает значительное воздействие на электрофизические характеристики DSSC. Структура наночастиц во многом определяет как степень адсорбции красителя, так и подвижность электронов в мезопористом слое. Морфология с развитой удельной поверхностью и равномерным распределением наночастиц способствует увеличению плотности фототока Jsc и снижению рекомбинационных потерь. Результаты морфологического и электрофизического анализа – SEM, AFM и измерений проводимости – показали, что повышение степени кристалличности TiO₂ и снижение дефектности благоприятно сказываются на электронном транспорте и коэффициенте диффузии Dn. Следствием этого становится увеличение времени жизни электронов τ и, соответственно, рост коэффициента полезного действия устройства. Таким образом, оптимизация морфологии фотоанода TiO₂ выступает одним из ключевых факторов повышения эффективности DSSC. Формирование наноструктур с высокой площадью поверхности, хорошей структурной связностью и однородной пористостью обеспечивает улучшенные электрофизические показатели, минимизирует рекомбинационные потери и стабилизирует работу солнечного элемента. Полученные данные согласуются с актуальными тенденциями в области наноструктурированных материалов для фотоэнергетики и подтверждают перспективность морфологического контроля при создании высокоэффективных DSSC [1]
References (7)
- 1. Hsu C.-L. et al. Enhancement of dye-sensitized solar cells by Fe/S co-doped TiO₂ nanocomposites. Scientific Reports, 2024. DOI:10.1038/s41598-024-54895-z
- 2. Joshi M. et al. Mesoporous TiO₂ spheres decorated with Au nanoparticles for high-efficiency DSSCs. Frontiers in Materials, 2024. DOI:10.3389/fmats.2024.1457325
- 3. Kraidy F. et al. Performance of DSSC based on mixed TiO₂ nanopowders (Hombikat UV100/P25). Processes, 2024, 12(11):2481. DOI:10.3390/pr12112481
- 4. Srivastava A. et al. Recent advances in one-dimensional TiO₂ nanostructures for photoenergy applications. RSC Advances, 2025. DOI:10.1039/D4RA06254J
- 5. Khan M. et al. Nanoengineered TiO₂ photoanodes for high-performance DSSCs. RSC Advances, 2023. DOI:10.1039/D3RA02927A
- 6. Sibiński M. et al. Morphology control of TiO₂ and TiO₂:ZnO blocking layers for improved DSSC performance. Scientific Reports, 2024. DOI:10.1038/s41598-024-61512-6
- 7. Abdukarimov, A., Noor, I. M., Mamatkarimov, O. O., & Abdul Karim, M. A. (2020). Characteristics of dye-sensitized solar cells (DSSCs) using liquid and gel polymer electrolytes with tetrapropylammonium salt. Applied Solar Energy, 56(2), 87–93. DOI:10.3103/S0003701X20020113 “Fan va texnologiyalar taraqqiyoti” Ilmiy-texnikaviy jurnal №1/2026 62