Vào những năm 1990, Brian O'Regan và Michael Grätzel phát minh ra tế bào pin mặt trời chất nhuộm nhạy quang (DSC), được đặt theo tên của nhà khoa học - tế bào Grätzel nổi tiếng thế giới.

Tế bào DSC chuyển đổi ánh sáng thành điện năng thông qua chất cảm quang. Đây là những hợp chất thuốc nhuộm hấp thụ ánh sáng, đưa các điện tử vào những dãy tinh thể nano oxit, sau đó được thu thập dưới dạng dòng điện.

Trong DSC, chất cảm quang được gắn (“hấp thụ”) vào bề mặt của màng titan điôxít (titanium dioxide) trung tính tinh thể nano, được tẩm các chất điện phân oxy hóa khử hoặc bao phủ bằng vật liệu vận chuyển điện tích rắn. Toàn bộ thiết kế nhằm mục đích tạo ra điện năng bằng phương thức di chuyển các electron từ bộ cảm quang về phía đầu ra nguồn điện như một thiết bị hoặc một bộ lưu trữ điện năng.

DSC trong suốt, có thể được chế tạo với nhiều màu sắc với chi phí thấp và đã được sử dụng trên các cửa sổ trần, nhà kính, cũng như mặt tiền bằng kính như các cửa sổ trang trí Trung tâm Hội nghị SwissTech. Ngoài ra, các phiên bản linh hoạt nhẹ của DSC được bán thương mại trên quy mô lớn, sử dụng ánh sáng xung quanh tạo ra năng lượng điện cho những thiết bị điện tử di động như tai nghe và đầu đọc điện tử, cũng như các thiết bị Internet of Things (IoT).

Những phát triển tiến bộ gần đây đối với chất cảm quang và những thành phần khác của DSC đã nâng cao hiệu suất của DSC trong cả điều kiện ánh sáng mặt trời và ánh sáng xung quanh. Nhưng vấn đề then chốt để nâng cao hiệu quả DSC là  hiểu rõ bản chất và kiểm soát sự tập hợp các phân tử thuốc nhuộm trên bề mặt màng hạt nano titanium dioxide tạo ra điện tích.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp được gọi là đồng nhạy cảm, đây là phương pháp tiếp cận hóa học để chế tạo ra các DSC với 2 hoặc nhiều lại thuốc nhuộm khác nhau, có khả năng hấp thụ thêm quang năng bổ sung.

Đồng nhạy cảm đã tăng cường hiệu suất chuyển đổi năng lượng của DSC tới những giá trị kỷ lục thế giới. Có thể hình dung do phương pháp này kết hợp những loại thuốc nhuộm sẵn có, hấp thụ quang năng từ toàn bộ dãy quang phổ ánh sáng.

Nhưng quá trình đồng nhạy cảm không hiệu quả trong một số trường hợp vì nỗ lực tìm ra các cặp thuốc nhuộm phù hợp, có thể đạt được hiệu suất hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi điện năng cao đòi hỏi quá trình thiết kế, tổng hợp và sàng lọc phân tử phải rất cẩn thận và chi tiết.

Các nhà khoa học của nhóm Grätzel và Anders Hagfeldt tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ (EPFL) phát triển một giải pháp cải tiến việc đóng gói cùng lúc 2 phân tử thuốc nhuộm cảm quang mới, được thiết kế để nâng cao hiệu suất quang điện của DSC.

Gắn cùng 2 phân tử thuốc nhuộm khác nhau, các chất cảm quang mới có thể thu thập lượng ánh sáng trên toàn bộ miền khả kiến. Kỹ thuật mới liên quan đến việc hấp thụ trước một lớp dẫn xuất a axit hydroxamic trên bề mặt tấm titanium dioxide trung tính tinh thể nano. Lớp dẫn cuất này làm chậm sự hấp thụ 2 chất nhạy cảm ánh sáng, cho phép hình thành một lớp chất nhạy cảm có trật tự và dày đặc trên bề mặt titanium dioxide.

Sử dụng phương thức tiếp cận này, lần đầu tiên nhóm nghiên cứu phát triển được các tế bào DSC với hiệu suất chuyển đổi điện năng là 15,2% dưới ánh sáng mặt trời mô phỏng toàn cầu tiêu chuẩn, độ ổn định hoạt động lâu dài được thử nghiệm trong hơn 500 giờ. Tăng diện tích hoạt động của tế bào lên 2,8 cm2, hiệu suất chuyển đổi năng lượng liên tục trong khoảng 28,4% - 30,2% với các cường độ ánh sáng khác nhau xung quanh với độ ổn định vượt trội.

Nhóm tác giả nghiên cứu viết: “Phát hiện của chúng tôi mở đường cho khả năng dễ dàng tiếp cận đến các DSC hiệu suất cao và cho thấy những triển vọng đầy hứa hẹn cho những ứng dụng thương mại như thay thế pin cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử công suất thấp sử dụng ánh sáng xung quanh làm điện năng.”