Ogniwa słoneczne barwnikowe – nazywane również ogniwami uczulanymi barwnikiem (ang. dye-sensitized solar cell, DSSC, DSC lub DYSC) – są obok ogniw organicznych zaliczane do trzeciej generacji ogniw fotowoltaicznych. Zbudowane zostały przez Briana O'Regana i Michaela Grätzela w 1991 r. [1]. W związku z nazwiskiem twórcy ogniwa barwnikowe są określane również jako ogniwa Grätzela.
Obie elektrody w ogniwie barwnikowym mogą być przeźroczyste lub półprzeźroczyste, co umożliwia oświetlenie ogniwa słonecznego z każdej strony. Schemat budowy ogniwa został przedstawiony na Rys. 1.
W procesie fotowoltaicznym istotną rolę odgrywa barwnik. Transparentna anoda jest pokryta półprzewodzącą warstwą (zwykle tlenkową), na której osadzony jest barwnik. Najczęściej wykorzystywanym materiałem tlenkowym jest dwutlenek tytanu ( \( TiO_{2} \)), tlenek cynku ( \( ZnO \)), niobu ( \( Nb_{2}O_{5} \)). Jako barwniki stosowane były m.in. związki kompleksowe metali, pochodne porfiryny oraz ftalocyjaniny.

Oprócz elektrody, na której znajduje się barwnik w skład ogniwa wchodzi para redoksowa (np. jodek /trójjodek \( I^{3-} \)) rozpuszczona w odpowiednim medium (elektrolicie) oraz katoda (musi to być materiał katalizujący reakcję redoksową). Reakcja redoks (redoksowa) to reakcja chemiczna, w której dochodzi do zarówno redukcji (proces, w trakcie którego atom lub ich grupa przechodzi z wyższego stopnia utlenienia na niższy), jak i oksydacji (atom przechodzi z niższego stopnia utlenienia na wyższy, co jest równoważne z oddaniem elektronów) [2].

Działanie ogniwa barwnikowego rozpoczyna się od absorpcji światła przez cząstki barwnika, co powoduje przeniesienie elektronu ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego. Teraz następuje wstrzyknięcie elektronu do pasma przewodnictwa półprzewodnika (np. \( TiO_{2} \)). Stamtąd jest transportowany, najpierw w porowatej warstwie półprzewodnika do przewodzącej elektrody, obwodem zewnętrznym do katody. Usunięcie elektronu prowadzi do redukcji stanu wzbudzonego molekuł barwnika (regeneracja barwnika na drodze utlenienia \( I^{-} \) do \( I^{3-} \)). Rys. 2 przedstawia blokowy schemat działania ogniwa barwnikowego.

Mechanizm działania ogniw barwnikowych jest wykorzystywany przez rośliny do wytwarzania związków organicznych, zachodzących w komórkach zawierających chlorofil lub bakteriochlorofil przy udziale światła (fotosynteza). Zasada działania została przedstawiona w filmie "C8 Dye Sensitized Solar Cells", natomiast sposób wytworzenia przedstawiony został w filmie "Dye-Sensitised Solar Cells: Animation".

Richard Thornley, C8 Dye Sensitized Solar Cells, DSSC – HL IB Chemistry (Zasada działania ogniwa barwnikowego), 26.03.2017 (dostęp 10.09.2020). Dostępne w YouTube: https://youtu.be/g1TfQ9rypHI.

TheSolarSpark, Dye-Sensitised Solar Cells: Animation (captions) (Sposób wytwarzania prostego ogniwa barwnikowego), 20.05.2011 (dostęp). Dostępne w Vimeo: https://vimeo.com/24015119.

Maksymalna wydajność jaką udało się uzyskać w ogniwach barwnikowych to \( 12,6\% \). Ogniwa barwnikowe mają wiele zalet. Pierwszą z nich jest proces produkcji – niewymagający skomplikowanej aparatury ani warunków. Barwniki są stosunkowo tanie, mimo niełatwego procesu syntezy. Poprzez wykorzystanie różnych kolorów barwników, mamy kontrolę nad wyglądem ogniwa, co zwiększa możliwości użytkowe. Projektowanie urządzeń może być, oprócz zmiany koloru sterowane stosowaną warstwą tlenkową, a to z kolei zwiększa wartość estetyczną. Ze względu na swoją budowę ogniwa barwnikowe są odporne na uszkodzenia mechaniczne i w mniejszym stopniu, niż na ogniwa krzemowe, wpływa na nie negatywnie temperatura [3], [4]. Na Rys. 3 przedstawiono wzrost wydajności ogniw organicznych, barwnikowych, bazujących na kropkach kwantowych i tandemowych (nazwa ośrodka jest napisana kolorem szarym) [5].

Rysunek 3: Wydajność ogniw barwnikowych i organicznych. Źródło: National Renewable Energy Laboratory (NREL), licencja CC0, źródło: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/archive/3/35/20201113133816%21Best_Research-Cell_Efficiencies.png.