Chu trình làm hoạt động và tái tạo trong pin mặt trời chất màu (DSC) gồm có 5 bước:
Bước 1. Khởi đầu, chất màu nhạy sáng hấp thụ một photon và một electron
được chuyển từ mức S0 tới nằm ở một mức năng lượng cao hơn. Chất nhạy sáng là trạng thái bị kích thích S*.
*
hν + Dye→ Dye
(2.8)Bước 2. Sự “tiêm” của các electron kích thích vào trong vùng dẫn của chất bán
dẫn xảy ra trong vòng một femtosecond (10-15 giây).
( )
*
2 2
Dye +TiO →e TiO
− (2.9)+ Dye
+Bước 3. Các electron truyền vào lớp xốp hỗ trợ dẫn TiO2 và đi qua tải bên ngoài
để đi đến chỗ điện cực đối.
(
2)
2( )
e TiO
−+ FTO → TiO + e FTO
− (2.10)Bước 4. Electron sau đó được chuyển tới triiodide để làm tái tạo iodide.
3
3I
−+2Dye
+→I
(2.11)−+2Dye
Bước 5. Iodide làm giảm bớt sự oxi hóa chất màu S+ tới trạng thái ban đầu S0 của nó.
( )
3
2 . . 3 ( . .)
I
−+ e C E
(2.12)→I
−+C E
Các điện tử được tiêm vào TiO2 ngoài con đường chuyển ra mạch ngoài có thể tham gia vào ba phản ứng tái kết hợp hay còn gọi là phản ứng tạo dòng tối theo các phương trình:
eTiO2+ Dye+ → S (2.13)
Các phản ứng tái kết hợp này làm giảm năng lượng điện tử chuyển ra mạch ngoài, do dó làm giảm dòng ngắn mạch cũng như hiệu suất chuyển đổi quang năng của pin. Khác với pin Mặt Trời kiểu tiếp xúc p-n, điện tử và lỗ trống trong pin DSC (S+,I3-) được sinh ra ở 2 pha khác nhau, bị tách bởi chênh lệch về hóa thế ở 2 pha. Sự di chuyển của điện tử trong màng TiO2 thông qua quá trình khuếch tán do chênh lệch nồng độ sinh ra từ quá trình tách điện tích do cảm ứng quang. Hiệu điện thế quang sinh trong DSC phụ thuộc vào mức chênh lệch hóa thế củ điện tử trong TiO2 và thế oxi hóa khử của cặp I-/I3-
Hình 2.10 cho biết vị trí tương đối của các mức năng lượng trong DSC. Khoảng cách giữa hai mức năng lượng HOMO và LUMO của Dye càng nhỏ thì chất màu nhạy quang sẽ hấp thụ được vùng ánh sáng có bước sóng càng dài trong phổ mặt trời.
