DSSC trabajo 2008
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CELULAS SOLARES DE
COLORANTE
IA45 Física del sólido amorfo Aplicaciones a nuevos materiales; DSSC
Introducción a las células solares
La energía solar es la energía obtenida directamente del Sol. La radiación
solar incidente en la Tierra puede aprovecharse, por su capacidad para calentar, o
directamente, a través del aprovechamiento de la radiación en dispositivos ópticos
o de otro tipo.
La radiación es aprovechable en sus componentes directa y difusa, o en la
suma de ambas. La radiación directa es la que llega directamente del foco solar, sin
reflexiones o refracciones intermedias. La difusa es la emitida por la bóveda celeste
diurna gracias a los múltiples fenómenos de reflexión y refracción solar en la
atmósfera, en las nubes y el resto de elementos atmosféricos y terrestres. La
radiación directa puede reflejarse y concentrarse para su utilización, mientras que
no es posible concentrar la luz difusa que proviene de todas las direcciones.
Historia de las células solares
El efecto fotovoltaico fue observado inicialmente por el físico francés
Alexander Edmond Becquerel (1839) En 1889, el físico británico Joseph John
Thomson investigaba los rayos catódicos. Influenciado por los trabajos de James
Clerk Maxwell, Thomson dedujo que los rayos catódicos consistían de un flujo de
partículas cargadas negativamente a los que llamó corpúsculos y ahora conocemos
como electrones.
Thomson utilizaba una placa metálica encerrada en un tubo de vacío como
cátodo exponiendo este a luz de diferente longitud de onda. Thomson pensaba que
el campo electromagnético de frecuencia variable producía resonancias con el
campo eléctrico atómico y que si estas alcanzaban una amplitud suficiente podía
producirse la emisión de un "corpúsculo" subatómico de carga eléctrica y por lo
tanto el paso de la corriente eléctrica. La intensidad de esta corriente eléctrica
variaba con la intensidad de la luz. Incrementos mayores de la intensidad de la luz
producían incrementos mayores de la corriente. La radiación de mayor frecuencia
producía la emisión de partículas con mayor energía cinética.
En 1902 Philipp von Lenard realizó observaciones del efecto fotoeléctrico en
las que se ponía de manifiesto la variación de energía de los electrones con la
frecuencia de la luz incidente. La energía cinética de los electrones podía medirse a
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partir de la diferencia de potencial necesaria para frenarlos en un tubo de rayos
catódicos. La radiación ultravioleta requería por ejemplo potenciales de frenado
mayores que la radiación de mayor longitud de onda. Los experimentos de Lenard
arrojaban datos únicamente cualitativos dadas las dificultades del equipo
instrumental con el cual trabajaba.
En 1905 Albert Einstein propuso una descripción matemática de este
fenómeno que parecía funcionar correctamente y en la que la emisión de electrones
era producida por la absorción de cuantos de luz que más tarde serían llamados
fotones. En un artículo titulado "Un punto de vista heurístico sobre la producción y
transformación de la luz" mostró como la idea de partículas discretas de luz podía
explicar el efecto fotoeléctrico y la presencia de una frecuencia característica para
cada material por debajo de la cual no se producía ningún efecto. Por esta
explicación del efecto fotoeléctrico Einstein recibiría el Premio Nobel de Física en
1921. en el que se da la transformación parcial de la energía luminosa en energía
eléctrica al incidir luz sobre ciertos materiales, pero mucho antes, en 1884 Charles
Fritts, ya había aplicado este efecto para generar electricidad mediante un
semiconductor,(selenio) y una finísima capa de oro, construyendo así la primera
célula solar funcional, aunque su rendimiento era sólo del 1%.
Posteriormente Russell Ohl, ingeniero americano, fue reconocido por
patentar lo que seria la célula solar moderna (1946) gracias a su descubrimiento de
la barrera PN (Unión P-N: unión metalúrgica de dos cristales, uno con exceso de
electrones, N, y otro con defecto o huecos de electrones, P) que permitió obtener
células con eficiencias por encima del 5%
Ya en 1954 llega la edad moderna de las células solares, y su “primera
generación”, cuando los laboratorios Bell incrementaron la sensibilidad de los
semiconductores (silicio) mediante dopado, de forma accidental.
Estos avances contribuyeron a la fabricación de la primera célula solar
comercial con una conversión de la energía solar de, aproximadamente, el 6%. La
URSS lanzó su primer satélite espacial en el año 1957, y los EEUU un año después.
En el diseño de éste se usaron células solares creadas por Peter Iles en un esfuerzo
encabezado por la compañía Hoffman Electronics. La potencial utilización de la
radiación solar en el campo de la tecnología espacial, hace de la investigación y
desarrollo de las células solares un campo de gran interés.
El dopaje accidental de germanio (Ge) con GaAs como capa amortiguadora
creó circuitos de voltaje abiertos, demostrando el potencial del uso de los sustratos
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de germanio. Una celda de uniones simples de GaAs llegó al 19% de eficiencia en
1993. ASEC desarrolló la primera celda de doble unión para las naves espaciales
usadas en los EEUU, con una eficiencia de un 20% aproximadamente.
Estas celdas no usan el germanio como segunda celda, pero usan una celda
basada en GaAs con diferentes tipos de dopaje. De manera excepcional, las células
de doble unión de GaAs pueden llegar a producir eficiencias del orden del 22%. Las
uniones triples comienzan con eficiencias del orden del 24% en el 2000, 26% en el
2002, 28% en el 2005, y han llegado, de manera corriente al 30% en el 2007. En
2007, dos compañías norteamericanas Emcore Photovoltaics y Spectrolab,
producen el 95% de las células solares del 28% de eficiencia.
La segunda generación de materiales fotovoltaicos se basa en el uso de
depósitos epitaxiales muy delgados de semiconductores sobre obleas con
concentradores. Hay dos clase de células fotovoltaicas epitaxiales: las espaciales y
las terrestres. Las células espaciales, usualmente, tienen eficiencias más altas (28-
30%), pero tienen un coste por vatio más alto. En las terrestres la película delgada
se ha desarrollado usando procesos de bajo coste, pero tienen una eficiencia (7-
9%), más baja, y, por razones evidentes, se cuestionan para aplicaciones
espaciales.
La llegada de películas delgadas de Ga y As para aplicaciones espaciales
(denominadas células delgadas) con potenciales de eficiencia por encima del 37%
están, actualmente, en estado de desarrollo para aplicaciones de elevada potencia
específica. La segunda generación de células solares constituye un pequeño
segmento del mercado fotovoltaico terrestre, y aproximadamente el 90% del
mercado espacial.
La tercera generación de células fotovoltaicas que se están proponiendo en
la actualidad (2007) son muy diferentes de los dispositivos semiconductores de las
generaciones anteriores, ya que realmente no presentan la tradicional unión p-n
para separar los portadores de carga fotogenerados. Para aplicaciones espaciales,
se están estudiando dispositivos de huecos cuánticos (puntos cuánticos, cuerdas
cuánticas, etc.) y dispositivos que incorporan nanotubos de carbono, con un
potencial de más del 45% de eficiencia AM0. Para aplicaciones terrestres, se
encuentran en fase de investigación dispositivos que incluyen células
fotoelectroquímicas, células solares de polímeros, células solares de nanocristales y
células solares de tintas sensibilizadas.
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Cronología de la Tecnología fotovoltaica
Alexandre Edmond Becquerel observa el efecto fotoelectrico mediante un electrodo dentro de una solución conductora
expuesto a la luz
Charles Fritts desarrolla una celda solar usando selenio sobre una capa fina de oro, formando así un dispositivo
que generaba menos del 1% de eficiencia.
James Moser informa sobre celdas fotoquímicas
sensitivizadas con colorante
Edward Weston recibe las patentes US389124, "Solar
cell", y US389125, "Solar cell".
Nikola Tesla recibe la patente US685957, "Apparatus for the Utilization of Radiant Energy",
y US685958, "Method of Utilizing of Radiant Energy"
Albert Einstein publica su trabajo sobre el efecto
fotoelectrico
Wilhelm Hallwachs hace una celda solar de unión de
semicondutores(cobre y oxido de cobre)
Russell Ohl recive la patente US2402662, "Light sensitive
device"
Bell Labs produce celdas solares para actividades en el
espacio exterior
1830 1850 1870 1890 1910 1930 1950
Nuevo record mundial en eficiencia: 40,8%; celda solar
de unión triple
celdas solares de silicio con una eficiencia del 20%
La producción fotovoltaica mundial supera los 21,3MW
La producción mundial de celdas fotovoltaicas supera los
500kW
Akira Fujishima descubre el efecto denominado Honda-
Fujishima que es usado para la hidrolisis
Soyuz 1 es la primer nave espacial tripulada en funcionar con energía de celdas solares
Sharp produce un modulo viable de celdas solares de
silicioEl satelite de comunicaciones Telstar funciona con energía
de celdas solares
La ONU organiza una conferencia sobre "Energía
Solar en el mundo en desarrollo"
Hoffman Electronics crea una celda solar con una eficiencia
del 14%
Bell Labs anuncia la invención de la primera celda solar moderna con un 6% de
eficiencia
Se inventan las celdas solares de colorante(Dye-
sensitized solar cell)
Gaertzel logra el 11% de eficienciencia en celdas
solares de colorante
NREL desarrolla un concentrador de celdas de dos
terminales de GaInP/GaAs capaz de superar el 30% de
eficiencia
La potencia mundial de energía fotovoltaica llega a los
1000MW
Consolider HOPE
1950 1960 1970 1980 1990 2000
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Las células solares convencionalesi
En una muestra de metal, los electrones exteriores de sus átomos,
denominados electrones de valencia pueden moverse libremente. Se dice que están
deslocalizados en regiones del espacio que ocupan toda la red cristalina, como si de
una malla se tratase. En términos energéticos esto quiere decir que los electrones
de la última capa del átomo ocupan niveles de energía altos que les permite
escaparse del enlace que les une a su átomo.
El conjunto de estos niveles, muy próximos unos de otros, forman parte de la
llamada banda de conducción (en adelante BC). Esta banda está formada, además,
por niveles de energía vacíos y es, precisamente, la existencia de estos niveles
vacíos la que permite que los electrones puedan saltar a ellos cuando se les pone
en movimiento, al aplicar un campo eléctrico. Precisamente esta circunstancia
permite que los metales sean conductores de la electricidad.
Los demás electrones del átomo, con energías menores, forman la banda de
valencia (BV). La distancia entre ambas bandas, en términos de energía, es nula.
Ambas bandas se solapan de manera que los electrones de la BV con más energía
se encuentran, también, en la BC.
En las sustancias aislantes la BC está completamente vacía porque todos los
electrones, incluidos los de la última capa están ligados al átomo, tienen una
energía más baja, y por lo tanto se encuentran en la banda de valencia, y además
la distancia entre las bandas (se denomina a esta distancia energética banda
prohibida, o gap) es bastante grande, con lo que les es muy difícil saltar a la BC.
Como la BV está llena, los electrones no pueden moverse y no puede haber
corriente eléctrica al aplicar un voltaje entre los extremos del aislante.
En los semiconductores, las bandas de valencia y conducción presentan una
situación intermedia entre la que se da en un conductor y la que es normal en un
aislante. La BC tiene muy pocos electrones. Esto es debido a que la separación que
hay entre la BV y la BC no es nula, pero si pequeña. Así se explica que los
semiconductores aumentan su conductividad con la temperatura, pues la energía
térmica suministrada es suficiente para que los electrones puedan saltar a la banda
de conducción, mientras que los conductores la disminuyen, debido a que las
vibraciones de los átomos aumentan y dificultan la movilidad de los electrones.
Lo interesante de los semiconductores es que su pequeña conductividad eléctrica
es debida, tanto a la presencia de electrones en la BC, como a que la BV no está
totalmente llena.
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Principios teóricos de funcionamiento.
1. Algunos de los fotones, que provienen de la radiación solar, impactan sobre la
primera superficie del panel, penetrando en este y siendo absorbidos por materiales
semiconductores, tales como el silicio o el arseniuro de galio.
2. Los electrones, subpartículas atómicas que forman parte del exterior de los
átomos, y que se alojan en orbitales de energía cuantizada, son golpeados por los
fotones (interaccionan) liberándose de los átomos a los que estaban originalmente
confinados.
Esto les permite, posteriormente, circular a través del material y producir
electricidad. Las cargas positivas complementarias que se crean en los átomos que
pierden los electrones, (parecidas a burbujas de carga positiva) se denominan
huecos y fluyen en el sentido opuesto al de los electrones, en el panel solar. Se ha
de comentar que, así como el flujo de electrones corresponde a cargas reales, es
decir, cargas que están asociadas a desplazamiento real de masa los huecos, en
realidad, son cargas que se pueden considerar virtuales puesto que no implican
desplazamiento de masa real.
Fotogeneración de portadores de carga
Cuando un fotón llega a una pieza de silicio, pueden ocurrir tres acontecimientos:
1. El fotón puede pasar a través del material de silicio sin producir ningún efecto,
esto ocurre, generalmente para fotones de baja energía.
2. Los fotones pueden ser reflejados al llegar a la superficie del panel, y son
expulsados de este.
3. El fotón es absorbido por el silicio, en cuyo caso puede ocurrir:
* Generar calor
* Producir pares de electrones-huecos, si la energía del fotón incidente es
más alta que la mínima necesaria para que los electrones liberados lleguen a la
banda conducción.
Nótese que si un fotón tiene un número entero de veces el salto de energía
para que el electrón llegue a la banda de conducción, podría crear más de un único
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par electrón-hueco. No obstante, este efecto no es significativo, de manera usual,
en las células solares. Este fenómeno, de múltiplos enteros, es explicable mediante
la mecánica cuántica y la cuantización de la energía.
Cuando se absorbe un fotón, la energía de este se comunica a un electrón de
la red cristalina. Usualmente, este electrón está en la banda de valencia, y está
fuertemente vinculado en enlaces covalentes que se forman entre los átomos
colindantes. El conjunto total de los enlaces covalentes que forman la red cristalina
da lugar a lo que se llama la banda de valencia. Los electrones pertenecientes a esa
banda son incapaces de moverse más allá de los confines de la banda, a no ser que
se les proporcione energía, y además energía determinada. La energía que el fotón
le proporciona es capaz de excitarlo y promocionarlo a la banda de conducción, que
está vacía y donde puede moverse con relativa libertad, usando esa banda, para
desplazarse, a través del interior del semiconductor.
El enlace covalente del cual formaba parte el electrón, tiene ahora un
electrón menos. Esto se conoce como hueco. La presencia de un enlace covalente
perdido permite a los electrones vecinos moverse hacia el interior de ese hueco,
que producirá un nuevo hueco al desplazarse el electrón de al lado, y de esta
manera, y por un efecto de traslaciones sucesivas, un hueco puede desplazarse a
través de la red cristalina. Así pues, se puede afirmar que los fotones absorbidos
por el semiconductor crean pares móviles de electrones-huecos.
Un fotón solo necesita tener una energía más alta que la necesaria para
llegar a los huecos vacíos de la banda de conducción del silicio, y así poder excitar
un electrón de la banda de valencia original a dicha banda.
El espectro de frecuencia solar es muy parecido al espectro del cuerpo negro
cuando este se calienta a la temperatura de 6000K y, por tanto, gran cantidad de la
radiación que llega a la Tierra está compuesta por fotones con energías más altas
que la necesaria para llegar a los huecos de la banda de conducción. Ese excedente
de energía que muestran los fotones, y mucho mayor de la necesaria para la
promoción de electrones a la banda de conducción, será absorbida por la célula
solar y se manifestará en un apreciable calor (dispersado mediante vibraciones de
la red, denominadas fonones) en lugar de energía eléctrica utilizable.
Separación de los portadores de carga
Hay dos modos fundamentales para la separación de portadores de carga en un
célula solar:
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1. movimiento de los portadores, impulsados por un campo electrostático
establecido a través del dispositivo por la unión p-n.
2. difusión de los portadores de carga de zonas de alta concentración de
portadores a zonas de baja concentración de portadores (siguiendo un gradiente de
potencial eléctrico).
En las células de unión p-n, ampliamente usadas en la actualidad, el modo
que predomina en la separación de portadores es por la presencia de un campo
electrostático. No obstante, en células solares en las que no hay uniones p-n (típicas
de la tercera generación de células solares experimentales, como células de
película delgada de polímeros o de tinta sensibilizada), el campo eléctrico
electrostático parece estar ausente. En este caso, el modo dominante de separación
es mediante la vía de la difusión de los portadores de carga.
La unión p-n
La célula solar más usual está fabricada en silicio y configurada como una
gran área de unión p-n. Una simplificación de este tipo de placas puede
considerarse como una capa de silicio de tipo n directamente en contacto con una
capa de silicio de tipo p. En la práctica, las uniones p-n de las células solares, no
están hechas de la manera anterior, más bien, se elaboran por difusión de un tipo
de dopante en una de las caras de una oblea de tipo p, o viceversa.
Si la pieza de silicio de tipo p es ubicada en íntimo contacto con una pieza de
silicio de tipo n, tiene lugar la difusión de electrones de la región con altas
concentraciones de electrones (la cara de tipo n de la unión) hacia la región de
bajas concentraciones de electrones (cara tipo p de la unión).
Cuando los electrones se difunden a través de la unión p-n, se recombinan
con los huecos de la cara de tipo p. Sin embargo, la difusión de los portadores no
continua indefinidamente. Esta separación de cargas, que la propia difusión crea,
genera un campo eléctrico provocado por el desequilibrio de las cargas parando,
inmediatamente, el flujo posterior de más cargas a través de la unión.
El campo eléctrico establecido a través de la creación de la unión p-n crea un
diodo que permite el flujo de corriente en un solo sentido a través de dicha unión.
Los electrones pueden pasar del lado de tipo n hacia el interior del lado p, y los
huecos pueden pasar del lado de tipo p hacia el lado de tipo n. Esta región donde
los electrones se han difundido en la unión se llama región de agotamiento porque
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no contiene nada más que algunos portadores de carga móviles. Es también
conocida como la región de espacio de cargas.
Las células solares de colorante
En 1991, Michael Gräetzel, y Brian O´Regan inventaron la célula solar de
sentitivizada con colorante basando por primera vez su funcionamiento en un
mecanismo similar al de la fotosíntesis. Inicialmente esta células solo eran capaces
de absorben en la región ultravioleta y azul del espectro. A principios de este siglo
se consiguió ampliar el rango de longitudes de onda a las que la celda respondía. A
lo largo de estos años estas células han ido incrementando su eficiencia, a la vez
que han ido ganando importancia en el panorama internacional debido a sus
características de “Low cost” ya que el coste neto de los materiales utilizados es
inferior a las convencionales amenazándolas con su “cost per watt” y otras
propiedades como son la flexibilidad, transparencia, etc., posicionándolas como un
competidor de los paneles solares de silicio. Aun en fase de desarrollo, ya hay
diversas empresas que se dedican íntegramente a procesarlas o a la fabricación de
componentes de las mismas. Este tipo de célula solar es en el que nos vamos a
centrar en el trabajo y será descrita con más detalle a lo largo del mismo.
Ilustración 1Michael Graëtzel
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Fig. 1.Registro en el que se aprecia la evolución de la eficiencia de las células
solares a lo largo de los años
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Panorama energético
La potencia de la radiación varía según el momento del día, las condiciones
atmosféricas que la amortiguan y la latitud. Se puede asumir que en buenas
condiciones de irradiación el valor es de aproximadamente 1000 W/m² en la
superficie terrestre. A esta potencia se la conoce como irradiancia.
Considerando que los paneles fotovoltaicos actuales tienen una eficiencia
típica entre el 12%-25%, esto supondría una producción aproximada de entre 120-
250 W/m² en función de la eficiencia del panel fotovoltaico y las horas de irradiación
solar. Por otra parte, están produciéndose grandes avances en la tecnología
fotovoltaica y ya existen paneles experimentales con rendimientos superiores al
40%.[3]
A latitudes medias y septentrionales, teniendo en cuenta el ciclo diurno y las
condiciones atmosféricas, llegan a la superficie terrestre 100 W/m² de media en
invierno y 250 W/m² en verano. Con una eficiencia de conversión de,
aproximadamente, 12%, se puede esperar obtener 12 y 30 vatios por metro
cuadrado de celda fotovoltaica en invierno y verano, respectivamente.
Con los costos actuales de energía eléctrica, 0.08 $/kWh (USD), un metro
cuadrado generará hasta 0.06 $/día, y un km² generará hasta 30 MW, o 50,000
$/(km².día). Para comparar, el Sahara despoblado se extiende por 9 millones de
km², con menos nubes y un mejor ángulo solar, pudiendo generar hasta 50
MW/km², o 450 TW (teravatio) en total. El consumo de energía actual de la
población terrestre está cercano a 12-13 TW en cualquier momento dado
(incluyendo derivados del petróleo, carbón, energía nuclear e hidroeléctrica).
El verdadero problema con los paneles fotovoltaicos es el costo de la
inversión, como se puede ver en la ganancia neta de energía, requiriendo hasta
más de 10 años (de una vida útil de 40 años o más) para recuperar el costo inicial y
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generar ganancias. El precio actual de los módulos fotovoltaicos, oscila entre los 3.5
y los 5.0 $/W (USD), de capacidad de producción, en función de la cantidad que se
compre y la procedencia. Un precio normal está entre 8.6 y 9.0 $/W. Si la
instalación es con seguidores de sol de dos ejes, el costo puede rondar los 10.60
$/W, aunque la producción eléctrica obtenida es del orden de un 30% superior que
en una fija.
Es aquí donde las células solares de colorante han conseguido abrir una
brecha.
FUNCIONAMIENTO
El funcionamiento de las células solares de colorante consiste básicamente
en cuatro pasos:
-Primero un fotón incide en una molécula con propiedades cromóforas
adsorbida en el oxido de titanio, la cual es excitada a un nivel de energía superior,
susceptible a perder uno de sus electrones.
-En el segundo paso, el electrón excitado salta a la banda de conducción del
oxido de titanio, este circula hacia la capa conductora de oxido de estaño, el cual
entra en el circuito eléctrico. El electrón “hace su trabajo” y vuelve a la celda por la
capa inferior.
-En el tercer paso, con ayuda de una capa catalítica el electrón entra en el
electrolito e interacciona con la molécula de triiodo reduciéndose al ión ioduro el
cual viaja hasta el dye de nuevo.
-Por último en el cuarto paso, ambos vuelven (dye y yodo) a sus respectivos
estados iniciales, cerrando el circuito y estando disponibles de nuevo para realizar
otro ciclo.
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COMPONENTES
Dye (colorante)
Cuando una molécula absorbe ciertas longitudes de onda de la luz visible y
transmite o refleja otras, la molécula tiene color. El cromóforo es la región de la
molécula, donde la diferencia de energía entre dos orbitales moleculares cae en el
rango del espectro visible. Los cromóforos casi siempre se pueden dividir en dos
grupos, sistemas π conjugados y complejos metálicos con orbitales “d” libres
Los fotones impactan en el cromóforo, los cuales pueden ser absorbidos
excitando un electrón desde su estado fundamental a un estado excitado, el cual es
susceptible de sufrir diversos efectos.
En las moléculas biológicas esto sirve para capturar o detectar energía
lumínica, causando un cambio conformacional en la molécula excitada por la luz
(como ocurre en las células sensibles a la luz presentes en el ojo) o bien provocando
una cadena de reacciones como en la fotosíntesis.
En el caso de los sistemas π conjugados los electrones “saltan” dentro de
este sistema de dobles enlaces carbono-carbono conjugados(usualmente sistemas
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aromáticos). Algunos ejemplos de estos son el retinal(utilizado en el ojo como
detector de luz) y el β-caroteno.
Para los cromóforos de complejos de metales de transición, el
desdoblamiento de los orbitales d debido a la unión de los ligandos es el que
permite que los electrones puedan saltar de un estado basal a otro excitado con un
fotón de longitud de onda dentro del espectro visible. Algunos ejemplos de estos se
pueden ver en la clorofila(necesaria para la fotosíntesis), en la hemoglobina y en
minerales coloridos como la amatista.
El pigmento, o dye del inglés son las moléculas orgánicas cuya función es
captar los fotones incidentes y convertirlos en electrones.
Normalmente son compuestos hetero-orgánicos complejos, formados por
varios grupos funcionales diversos, como compuestos cíclicos aromáticos que
presenten resonancia, deslocalización de carga, y un heteroátomo tipo metal de
transición como pueden ser el Rutenio, Rodio, acomplejado.
El fotón incidente excita un electrón de la molécula orgánica a un nivel de
energía suficiente como para saltar a la banda de conducción del dióxido de titanio.
Esta queda oxidada (estable gracias al alto nivel de resonancia de la molécula)
imposibilitada de inyectar más electrones al semiconductor hasta que recibe un
electrón del electrolito volviendo a su estado inicial y cerrando el ciclo.
Este puede presentar varios inconvenientes, como son la recombinación
electrónica cuando los niveles energéticos son muy parecidos, con lo que la
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Grupos con propiedades redox
Grupos de anclaje
Ligandos modificadores del GAP
Grupos con propiedades redox
Grupos estabilizadores de carga
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eficiencia seria inferior; otro inconveniente que presentan estas moléculas es la
descomposición, ya sea por un stress electrónico o térmico. Estos efectos a lo largo
del tiempo hacen que inevitablemente la célula envejezca reduciendo su
efectividad.
La síntesis de estos compuestos en un campo de investigación abierto
debido al alto rango de posibilidades que otorga la diferente funcionalización de
estas moléculas orgánicas, adaptándolas a las características requeridas para las
células solares, por síntesis y/o por modelización computacional.
Óxido de Titanio (IV) nanoestructurado:
El oxido de titanio es el receptor de la carga electrónica generada por el dye,
este por si solo absorbería un fracción muy reducida de la luz solar, por lo que se
ayuda del dye a modo de escalón para captar una fracción mayor de fotones.
En comparación con las células solares tradicionales, el proceso de inyección
de electrones usado en las células solares de colorante no introduce un hueco en el
oxido de titanio, solo un electrón extra. Aunque es energéticamente posible para el
electrón volver a recombinarse con el dye, el ratio al que esto ocurre es mucho mas
lento comparado con el ratio en el que el dye recupera un electrón del electrolito
que lo rodea. Por lo que la recombinación electrón-hueco que afecta a la eficiencia
del las células solares tradicionales no existe en las células solares de colorante.
Esta transferencia de electrón/electrón entre el TiO2 y el dye es un fenómeno
superficial, por lo que se aumenta la superficie activa de este para incrementar su
rendimiento mediante la nanoestructuracion, de forma general se usa TiO2
“esponjoso” aunque bajo los nuevos descubrimientos de la nanoquimica se están
comenzando a utilizar nanotubos de TiO2 por las perspectivas de futuro que
presentan.
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En nuestro caso, la texturización se hace añadiendo a la mezcla una
cantidad controlada de polímero, en este caso polietilenglicol, el cual tras el
tratamiento térmico del oxido de titanio se piroliza el polímero dotando a este de
una microestructura porosa.
A continuación se puede observar el efecto de la concentración del polietilenglicol
sobre la estructura final del dióxido de titanio:
i http://es.wikipedia.org/wiki/Panel_fotovoltaico
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Fig. 1. imágenes de películas de TiO2 nanoporoso por microscopia electrónica
de superficie: (a) TiO2/PEG 1%, (b) TiO2/PEG 3%, (c) TiO2/PEG 5%, (d) TiO2/PEG 7%,
(e) TiO2/PEG 9% and (f) TiO2/nil PEG. Escala de (a) hasta (e): 200 nm; escala en (f):
15 μm.ii
Cristal-FTO
ii Photocatalytic effect of the sol–gel derived nanoporous TiO2 transparent thin films
Bing Guoa, Zhaolin Liua, Liang Honga, Huixin Jianga and Jim Yang Leeb
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El TiO2 se deposita sobre un cristal que hará de soporte de la célula solar, el
cual esta recubierto por una capa fina de FTO que se encarga de recibir la carga del
titanio como parte del sistema de conducción de la carga eléctrica.
El FTO, “Fluorine doped Tin Oxide” es decir, Oxido de estaño dopado con
Flúor, es un oxido conductor transparente que se utiliza en el ensamblado de estos
dispositivos, ya que a la vez que conduce la electricidad, no impide prácticamente
la absorción de luz de la célula solar.
Con estos componentes se construye el electrodo;
Contraelectrodo
El contraelectrodo es el encargado de descargar los electrones en el
electrolito, este esta hecho también, como el electrodo, de un cristal con un óxido
conductor el cual es necesario para conectar el electrolito con el borne de estaño.
También se suele añadir entre el electrolito y el óxido conductor una capa de un
catalizador que facilite movimiento de electrones.
Electrolito
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El electrodo y el contra electrodo están unidos mediante un electrolito
de I-/I3- el cual es el encargado de recibir los electrones y depositarlos en el dye,
para cerrar el ciclo, mediante una reacción redox. El movimiento de los iones del
electrolito ocurre mediante difusión y también por el mecanismo de Grotthus lo que
le da la propiedad a este de tener suficiente movilidad iónica para que no sea un
paso limitante en la corriente.
Este electrolito se prepara a partir de una sal de ioduro y yodo en
algún solvente orgánico como el 2-metoxi-propionitrilo y algún componente que
permita reducir la volatilidad del sistema como el MBI (1-metilbenzimidazol) o el
NMBI (N-metilbenzimidazol)
El principal inconveniente de este electrolito es su alta volatilidad y
su inestabilidad frente al y el oxigeno lo que obliga a tener que efectuar un sellado
muy bueno para mantener estable a la célula solar y otorgarle a esta una vida útil
adecuada.
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METODOLOGÍAS
Limpieza
Los substratos pueden tener diferentes tipos de contaminantes, ya sean orgánicos,
como aceites y grasas, provenientes principalmente de su manipulación e
inorgánicos, como pueden ser polvo u otros contaminantes que provengan del
proceso de fabricación.
El objetivo de la limpieza es eliminar estos contaminantes de la superficie del
substrato, para preparar la superficie para la adhesión de las posteriores capas,
eliminando los posibles contaminantes que disminuyan la conductividad, la
adherencia del oxido de titanio sobre el cristal o influyan en el crecimiento de la
nanoestructura.
En general, los procesos de limpieza se pueden clasificar en relación a su
naturaleza, como químicos, electroquímicos y mecánicos. Normalmente los
procesos de limpieza “química” consisten en una serie de pasos secuenciales, ya
que no existe un proceso de limpieza que sea capaz de eliminar todos los
contaminantes en un único tratamiento
Esencialmente hay cinco mecanismos para eliminar contaminantes de una
superficie:
- Disolución: Esto involucra el seleccionar un disolvente que disuelva los
contaminantes, como puede ser el agua para sales inorgánicas o disolventes
orgánicos para disolver aceites y grasas.
- Reacción química: En este tipo de proceso se busca hacer reaccionar el
contaminante para transformarlo en compuestos solubles que pueden ser
lavados posteriormente.
- Mecanismos físicos: Son mecanismos cuyo principio consiste en arrancar
/soltar físicamente las partículas implicadas mediante un liquido o un gas
inerte presurizado, abrasión, cepillado, fregado, etc., donde también se
incluye procesos como, spray de CO2 y ultrasonidos
- Exposición a plasma: Para procesos en la que la limpieza es mas critica,
usándose plasmas de Argón u oxigeno (mecanismo físico-químico) ya que
combina el bombardeo con la oxidación.
- “Cocinado al vacío” Es decir, eliminar partículas ligeras, polímeros ligeros,
polvo, a alta temperatura en vacío.
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Normalmente lo que se encuentra son combinaciones de varios de estos procesos.
Y Generalmente se ordenan el tres pasos, primero eliminar la contaminación,
segundo eliminar los agentes de limpieza y tercero secado del solvente de aclarado.
La selección de disolventes es un tema delicado debido a que los mejores están
regulados por su impacto en la capa de ozono y su toxicidad, ya que son del grupo
de organoclorados. Actualmente los mas aceptables son agua desionizada,
isopropanol y etanol.
De los mecanismos físicos, nos centraremos en técnica de limpieza por
ultrasonidos; el cual es uno de los métodos más efectivos para limpiar los
substratos el cual implica la inmersión del sustrato en un medio disolvente agitado
por ultrasonidos. Esto consiste en la aplicación de ondas de sonido de alta
frecuencia (generalmente en un rango de 20 a 50 kHz.) a la solución de limpieza
líquidos. Estas ondas ultrasónicas crear un frente oscilante de alta y baja presión en
la solución. En las zonas de presión negativa, el punto de ebullición disminuye y
millones de burbujas microscópicas se producen en la superficie. Dado que la onda
sonora se mueve, la posición cambia a una zona de presión positiva, provocando la
implosión de las burbujas. Este proceso de rápida formación y colapso repentino de
burbujas microscópicas se llama cavitación. La transferencia de energía al sustrato
provoca una intensa acción de lavado microscópico. Esta energía liberada
desprende los contaminantes del sustrato incluso fuera de las grietas, u otras zonas
que son inaccesibles a otros métodos de limpieza.
La limpieza por ultrasonidos ofrece varias ventajas sobre otros métodos
convencionales. Ha demostrado ser un método versátil para la limpieza de
componentes orgánicos, inorgánicos y partículas contaminantes ya sean superficies
metálicas y no metálicas. Casi todos los disolventes o agentes de limpieza pueden
ser utilizados en el baño de ultrasonidos. Además, es un proceso muy rápido, que
requiere sólo unos pocos minutos y reduce considerablemente la cantidad de
productos utilizados.
Preparación de las películas
En nuestro caso la limpieza se hizo con un detergente común cuya parte hidrofóbica
se adhiere a gran parte de contaminantes, sobretodo las grasas, y el aclarado se
produce con agua la cual se adhiere a la parte hidrofílica del disolvente, eluyendo
los contaminantes.
Posteriormente el agua y detergente sobrantes se diluyeron y eliminaron en etanol
bajo el efecto del baño de ultrasonidos.
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TECNICAS DE DEPOSICION
Existen bastantes y diversas técnicas de deposición de substratos para
realizar películas delgadas. Todas ellas dependen de las propiedades de los
materiales y de la finalidad a la que estén destinados, así como de la calidad
estructural del producto deseado y el coste dispuesto a asumir.
Algunas técnicas de deposición son la deposición física de vapor, bajo PLD
(Pulsed laser deposition), bajo bombardeo (Sputtering). Estas técnicas, aunque
crean estructuras de alta perfección y regularidad son muy costosas, sobretodo
para las necesidades de este tipo de capas que se desean construir, esto es debido
a que hoy en día se han desarrollado métodos altamente eficientes y económicos
de síntesis de nanoestructuras.
Otros métodos, también de alta precisión, son deposiciones de vapor
químicas, deposición oxidativa, fase sólida epitaxial, electrodeposicion, etc.
Las técnicas de "coating" son las más apropiadas para nuestro experimento,
debido a que se realizan con una pasta que se calcina posteriormente dejando una
estructura subyacente de un grosor adecuado según los fines buscados. De estas
técnicas las mas conocidas son el Dr.Blade, spin coating y dip coating, basados en
pastas o en sol-gel.
La versatilidad química de estos procesos los han habilitado para ser
utilizados en un amplio rango de síntesis de materiales cerámicos de alto interés
tecnológico. Estos procesos de deposición “húmeda” ofrecen un coste de
equipamiento inferior, y unas temperaturas de procesado menores con lo que se
amplia el rango de sustratos y se reduce el coste del proceso. Además ya es
importante en muchas industrias cuya ocupación sea la funcionalización de
superficies, como son sistemas de energía solar, capas antireflectivas, filtros
ópticos, espejos dieléctricos etc...
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La técnica del spin coating es la que nosotros utilizamos para la capa del
contraelectrodo, ya que nos otorga un espesor apropiado al caso. Esta se basa en
depositar un exceso de líquido en la superficie y mediante la fuerza centrífuga
eliminarlo dejando una pequeñísima película de grosor homogéneo que
corresponde a la pasta que ha quedado más fuertemente adherida a la superficie
del vidrio. Esta técnica presenta beneficios por la habilidad de poder graduar el
espesor mediante el control de la velocidad de la rotación. Obviamente, solo piezas
planas y rectangulares o con forma de disco y de una superficie de escala no muy
grande pueden ser utilizadas.
La pieza esta fijada al rotor aplicando un vacío en la parte inferior a través
de un soporte que se encuentra al final del eje motor. También podrían ser fijadas
en el rotor por pinzas u otros enganches, pero en este caso, la eliminación del
exceso de fluido se vería perturbada al rebasar la solución los bordes de la
abrazadera.
En general se puede decir que el proceso de Spin coating esta separado en 4
etapas: “deposición”, donde la pasta se coloca sobre la superficie; “spin-up”, donde
la pasta escapa radialmente por la fuerza centrifuga (aceleración); “spin-off”, donde
el exceso de pasta se va como gotas (frenado) y; “evaporación”, donde se elimina
el solvente (velocidad constante).
Otros procesos son l spray coating proceso por el cual una solución se hace
aerosol mediante un nebulizador ultrasónico que es trasferido a la superficie sobre
la que se desea depositar mediante un gas portador,el Flow coating que consiste en
dejar caer la solución que hará el coating sobre el sustrato(cristal u otro material)
de manera vertical o a un ángulo inclinado para que el mismo peso de la solución
elimine el exceso de solución. Existen también técnicas de coating por impresión,
donde nos encontramos con un proceso de inyección de tinta en el que se deposita
la solución de coating a pequeñas dosis con un mecanismo análogo a las
impresoras tradicionales.
La técnica de Dr. Blade es una sencilla que consiste en extender la pasta o
solución de coating sobre el sustrato con la ayuda de una varilla o espátula. Se
llama Doctor Blade a la lámina o espátula que a modo de rasqueta, pasa sobre la
superficie con exceso de pasta o solución de coating eliminando este excedente y
dejando solamente pasta en la celda o surco en bajorrelieve formado por celos
pegados para tal modo.
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Representación esquemática de la técnica Dr. Blade.
El roll coating genera la capa fina mediante el movimiento continuo del sustrato
a través de uno o más rodillos giratorios.
Finalmente tras el proceso de deposición se obtiene una fase seca y rígida
cerámica mediante un tratamiento térmico. Paso en el que se alcanza la
temperatura deseada para dotar a los materiales de la estructura cristalina
necesaria final.
Para el caso de las celdas solares utilizamos el Dr.Blade ya que nos da un grosor
adecuado a un coste mínimo para los fines experimentales y didácticos que
perseguimos.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Corte y limpieza de las placas de cristal
Para comenzar la fabricación de las celdas debemos primero cortar las
placas de cristal conductor que serán el soporte principal. El corte del cristal lo
efectuamos como en un cristal normal, marcándolo primero con un corta vidrio y
luego quebrándolo con una pinza especial.
Empezamos cortando unas placas de 2,5cm de ancho y 7,5cm de largo, las cuales
lavaremos en primera instancia con detergente y agua destilada. Luego de estas
piezas cortamos cuadrados de 2,5cm de lado aproximadamente.
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Para la limpieza utilizamos agua Milli-Q y jabón alcalino y de aquí llevamos
los cristales a un baño de isopropanol para someterlo al ultrasonido unos 15
minutos. Finalmente se enjuaga con etanol y se seca con nitrógeno evitando
siempre cualquier contacto del cristal con el ambiente para evitar que se le adhiera
polvo (principalmente en la cara conductora del cristal ya que será la que este en
contacto con el resto de los elementos de la celda)
Preparación de los electrodos de la celda
Una vez limpias las placas de cristal conductor se deben acondicionarlos
para que cumplan la función de electrodo y contraelectrodo dentro de la celda
solar.
Para el electrodo debemos depositar en principio una película(o film) de
TiO2, para ello preparamos una suspensión de TiO2 con agua MilliQ (agua ultra
limpia). Esta suspensión se prepara pesando el TiO2, mezclándolo en agua y
agitando un buen tiempo (15 minutos aproximadamente) y por ultimo hacer pasar
la suspensión por un baño de ultrasonido 2 veces durante 1 minuto con 30 minutos
entre cada sonicación para lograr una suspensión lo más homogénea posible para
que no aparezcan grumos o irregularidades luego en la preparación de la película.
Nuestras preparaciones de TiO2 las hicimos con el agregado de P25
(degussa) (polvo de TiO2), PEG (polietilenglicol) y un poco de etanol para facilitar la
disolución de este último, con una proporción de reactivos P25:PEG:EtOH de
1:4:0,05.
El método utilizado para la realización de las películas de TiO2 fue el de
Dr.Blade. Para le posterior ensamblaje de la celda es necesario sensitivizar con el
dye a la película de TiO2, debido al tiempo disponible para realizar la práctica, ya se
habían puesto antes otros cristales conductores con la película de TiO2 a
sensitivizar con el dye (viológeno en nuestro caso) mediante inmersión en una
solución del colorante. Esto se hizo para que el dye este en contacto con el TiO2
más tiempo y poder aumentar la cantidad de viológeno adsorbido (lo cual mejoraría
el rendimiento de la celda al haber mayor cantidad de moléculas de dye disponibles
para absorber fotones y ceder los electrones excitados al TiO2). Lo ideal hubiese
sido unas 24-48Hs de inmersión.
Contraelectrodo
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Primero en el contraelectrodo preparamos una capa fina de Pt depositando
primero K2Cl6Pt, que le dará propiedades conductora y de trasferencia de fase de los
electrones. A través del contraelectrodo es por donde ingresaremos el electrolito de
la celda, por lo que para ello se realizó un agujero con la ayuda de un taladro. Aquí
debíamos tener la precaución de que el lado conductor este por encima ya que
cuando se traspasaba el cristal en el tramo final de abajo se producía un quiebre del
vidrio en forma de cráter
alrededor del hueco, lo cual se
debe evitar del lado conductor
del cristal.
Ensamblaje
Habiendo preparado el electrodo, ya sensitivizado con el dye(*explicado en
el punto anterior) y contraelectrodo de la célula solar, lo siguiente es el ensamblaje
físico de estos y la adición del electrolito, esencial para el funcionamiento de la
célula.
Para generar un compartimiento bien cerrado al juntar los electrodos se
utiliza un pequeño film que rodea a la película de TiO2 sensitivizado, llamado
suryline, entre ambos cristales, el cual cumple la función de adhesivo y como pared
de contención del electrolito que se agregará. Para sellar el suryline es necesario
someterlo a una temperatura de aproximadamente 100ºC por unos 30 ó 60
segundos para que funda y vuelva a solidificar, lo cual se efectúa en un equipo que
consiste de una plancha metálica caliente:
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El suryline debe quedar bien sellado para evitar el escape del electrolito,
debido a su elevada volatilidad, y además evitar la entrada de oxigeno que produce
el envejecimiento prematuro de la celda.
Una vez sellados ambos cristales se le agrega con un soldador de estaño
unos contactos de estaño en cada uno de los 4 costados libres de la celda(ver
imagen de la celda completa), evitando que estos contactos toquen ambos cristales
a la vez ya que en dicho caso habría cortocircuito y la celda no funcionará ya que
los electrones evitarán pasar por la secuencia electrolito/dye/TiO2.
Finalmente se debe llenar el compartimento con el electrolito I3-/I2. El
electrolito se preparó con LiI, I2(s)(par redox) y 1-Metil Benzimidazol en 2-
metoxipropionitrilo como solvente(todos los solutos con aproximadamente 0,05M).
Para poder ingresar el líquido (el cual se depositó en primera instancia sobre el
orificio efectuado en el contraelectrodo) dentro de la celda se utilizó el recurso de
aplicar vacío en sucesivas ocasiones para así ir evacuando el aire dentro del
pequeño espacio y a medida que este escapaba iba siendo reemplazado por el
líquido:
Fabregat – Sanchez 27/37
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Luego, para terminar la celda, se selló con un cuadrado de suryline(con un el que
había quedado de la pieza recortada
para sellar la primera vez) y un vidrio
tipo cubreobjetos.
De las 4 celdas que
ensamblamos solo 2 funcionaron y una
con un muy mal rendimiento, por lo
que solo se tomaron los datos de una
sola celda para su análisis y
caracterización.
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Mediciones directas y caracterización de las celdas solares(técnicas)
PERFILIOMETRIA
Medicion fisica directa del grosor de las pelicilas depositadas. El perfilometro
utilizaba una punta que se depositaba la superficie y hacia una representacio
bidimensional del perfil barriendo la superficie de la muestra; alcanzando precision
de
CURVA I-V (VOLTAMPEROMETRIA)
Curva I-V: representación gráfica de la relación entre corriente y tensión en un
dispositivo fotovoltaico, desde el cortocircuito (sin carga) hasta el circuito abierto
(carga infinita o tensión máxima). La forma de la curva caracteriza el rendimiento
de la célula.
IPCE (ESPECTRO-AMPERIMETRIA)
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Contacto de estaño
(Siempre esta del lado conductor del cristal)
Electrolito I3-/I2
Película de TiO2 sensitivizada con viologeno
Borde de suryline(entre los electrodos)
Aire que quedó dentro del compartimento
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Mediciones directas y caracterización de las celdas solares(Resultados)
Curvas I-V y potencia(power)-V:
El comportamiento eléctrico de las células foto-electroquímicas viene
expresado en la curva I-V donde podemos previsualizar este de forma cualitativa e
inmediata.
Las curvas de corriente eléctrica en función del potencial obtenidas, para un
barrido de ida y vuelta de voltaje desde 0 a 0,8 V, fueron las siguientes:
Scan 1-8,00E-04
-6,00E-04
-4,00E-04
-2,00E-04
0,00E+00
2,00E-04
4,00E-04
6,00E-04
8,00E-04
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
-6,00E-04
-4,00E-04
-2,00E-04
0,00E+00
2,00E-04
4,00E-04
6,00E-04
I-V
Power-V
Scan 2-8,00E-04
-6,00E-04
-4,00E-04
-2,00E-04
0,00E+00
2,00E-04
4,00E-04
6,00E-04
8,00E-04
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
-6,00E-04
-4,00E-04
-2,00E-04
0,00E+00
2,00E-04
4,00E-04
6,00E-04
I-V
power-V
Fabregat – Sanchez 30/37
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Scan 3-8,00E-04
-6,00E-04
-4,00E-04
-2,00E-04
0,00E+00
2,00E-04
4,00E-04
6,00E-04
8,00E-04
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
-6,00E-04
-4,00E-04
-2,00E-04
0,00E+00
2,00E-04
4,00E-04
6,00E-04
I-V
power-V
A partir de estos datos se calculó la potencia de cada una de estos escaneos
también en base se a los datos obtenidos de estas mediciones, se calcularon el Fill
Factor (FF) y el rendimiento de la celda (η) según las ecuaciones:
Se obtuvieron para cada Scan resultados (para un Área total de 0,25cm2 y
una potencia de iluminación 100mW/cm2 (1 Sun)) del Fill Factor, es decir el ratio de
la potencia máxima obtenida frente al la potencia teórica (no realmente obtenible) y
del rendimiento en términos de potencia eléctrica obtenida versus potencia lumínica
incidente
Voc(V
) Isc(A) Isc(mA)
jsc(mA/
cm2)
Pmax(mW
) FF
Scan 1 0,693
-7,16E-
04 -0,716 -2,864 -0,336 1,342 0,676
Scan 2 0,691
-7,12E-
04 -0,712 -2,847 -0,331 1,325 0,674
Scan 3 0,688
-7,05E-
04 -0,705 -2,819 -0,327 1,309 0,675
Valor medio del rendimiento 1,325
Conclusiones:
Fabregat – Sanchez 31/37
scoc
mpmp
scoc IV
IV
IVP
FF max
ilumPPmax100
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En las curvas I-V, al aplicarle un voltaje en contracorriente al generado por la
acción de la luz incidente en la celda, se observa como inicialmente para 0 voltios
nos encontramos en la situación de circuito cerrado (shortcut) obteniendo aquí la
intensidad máxima de corriente, a medida que aumentamos el voltaje, la corriente
se mantiene constante hasta 0,5 voltios aproximadamente, donde corresponde a la
potencia máxima (“vértice” de la curva P-V), y luego disminuye repentinamente
hasta alcanzar el punto de circuito abierto(open circuit) donde la resistencia es
infinitamente alta.
También se puede observar en las curvas I-V como se forma un área al
recorrer dos caminos diferentes tanto la curva de ida como la de vuelta, debido a la
acumulación de portadores de carga / huecos del propio dispositivo fotovoltaico,
llegándose a poder registrar tiempos de vida de hasta un segundo para los
electrones en el TiO2.
Habiendo descrito las curvas I-V con los datos experimentales se calculó un
rendimiento de la celda del 1,33 % aunque es relativamente bajo respecto a los
valores máximos obtenidos actualmente (≈11%)iii, esto se debe a diversos factores,
la suciedad de la superficie del vidrio, ya que no se procedió de forma totalmente
correcta (mecanismos de limpieza adecuados, tiempos de trabajo limitados por la
duración lectiva, uso de cámaras limpias, almacenaje estanco), la calidad de
ciertos reactivos (Se produjo una mejora sustancial al usar reactivos nuevos),
tiempo de mezclado de las suspensiones de TiO2, escaso tiempo de difusión del dye
en el TiO2 frente a los estándares utilizados, y la poca experiencia previa en el
proceso de ensamblado de las celdas entre otros.
Fabregat – Sanchez 32/37
0
10
20
30
40
50
60
Efi
cien
cia
(%)
Ce
lda
IA4
7
Ce
lda
tip
ica
dy
e
Sili
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ctu
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tam
orf
ica
s(r
ec
ord
)
Es
pe
cta
tiv
ate
ori
ca
20
20
Rendimiento distintos tipos celdas solares
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El Fill Factor obtenido fue 0,675 que en comparación con el de celdas solares
cristalinas, que oscila entre el 0, 7 y 0,8 y el de las celdas de colorante, que oscila
entre 0,6 y 0,7, resulta bastante próximo y competitivo ya que este mide la calidad
de la celda solar.
IPCE: Incident Photon to Charge Carrier Efficiency - Eficiencia de
conversión de fotones a corriente.
iii American Chemical Society, "Ultrathin, Dye-sensitized Solar Cells Called
Most Efficient To Date", ScienceDaily, 20 September 2006
Fabregat – Sanchez 33/37
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De las diversas medidas que son usadas para caracterizar las células solares,
una de las mas representativas el la cantidad de potencia eléctrica producida por
una cantidad dada potencia irradiada en la celda. Expresado como porcentaje, es
conocido como la eficiencia de conversión sola. Dado que la potencia eléctrica es el
producto de la corriente y el voltaje, los mismos valores para estas medidas son los
ya conocidos, Jac y Voc respectivamente.
Finalmente, para comprender la física subyacente, la “eficiencia cuántica” es usada
para comparar la probabilidad de que un fotón, de una particular energía, cree un
electrón.
En términos de eficiencia cuántica, las células solares de colorante ordinarias son
extremadamente eficientes. Esto es debido a diversos factores, entre ellos, su
extensión en la nanoestructura la probabilidad de que un electrón sea absorbido por
el dye es muy elevada, del mismo modo que la eficiencia del dye para convertir
estos fotones en electrones.
La mayor parte de las perdidas que existen en las CSDC so debido a perdidas por
conducción en el TiO2 y el electrodo “virgen” (clear electrode) o perdidas ópticas en
el electrodo frontal.
La eficiencia cuántica global alcanza el 90%, siendo la mayor fracción del 10%
restante por perdidas ópticas en el electrodo superior, las cuales dependerán del
grosor principalmente.
El máximo voltaje generado por estas celdas, es en teoría, la diferencia entre el
nivel de Fermi del TiO2 y el potencial redox del electrolito, (CALCULAR) esto es
aproximadamente 0,7 v en Voc. Este valor es ligeramente superior que las de silicio
con un Voc de 0,6. Esta pequeña diferencia, no es lo suficiente importante para
subsanar la PRODUCCION Jac.
Aunque el dye es altamente eficiente en la conversión de fotones en electrones, son
solo los electrones con una energía suficientemente alta para saltar el bandGAP del
TiO2 los elegidos para producir corriente.
Este bandGAP es ligeramente superior que el encontrado en el silicio, lo cual
significa que menos fotones serán usados para generar corriente.
Además, el electrolito limita la velocidad con la que las moléculas de dye pueden
re-captar los electrones para regenerarse y estar disponibles a la fotoexcitación de
nuevo.
Fabregat – Sanchez 34/37
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Estos factores limitan la corriente generada por las células solares de colorante, en
comparación con las basadas en silicio. Quedando una diferencia aproximada
actualmente entre los 35 mA/cm² de las de silicio, y los 20 mA/cm² de las de
colorante.
Combinado con un “fill factor” del 70%, el pico global de producción de corriente en
las CSDC queda sobre el 11%
DSSC degrades from UV light. The barrier may include UV stabilizers and/or UV
absorbing luminescent chromophores (which emit at higher wavelengths) and
antioxidants to protect and improve the efficiency of the cell [10].
El IPCE nos expresa la eficiencia cuántica de la célula solar, este mide el ratio entre
la cantidad de fotones incidentes y la cantidad de fotones absorbidos.
El IPCE se mide mediante una montaje en el cual se hace incidir luz monocromada
mediante una red de rendijas, sobre una superficie normalizada de un material de
referencia, que “cuenta los fotones incidentes” en el rango de longitudes de onda
comprendido entre 300 y 800 nm y posteriormente se repite el proceso sobre la
célula solar,
IPCE=nº de electrones obtenidos por unidad de tiempo / nº de fotones incidentes
por unidad de tiempo
Gráfica(hecho)
Conclusiones
Fabregat – Sanchez 35/37
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IPCE(%) - Long. de Onda
0
10
20
30
40
50
300 400 500 600 700 800
Long.de Onda l (nm)
% I
PC
E
Para la IPCE se tuvo que utilizar una célula diferente a la que se utilizo durante el
resto de caracterización; debido a que esta era la única muestra funcional
disponible y fue dañada al fijar la pestaña para normalizar la superficie:
por esto se uso una ya construida; de la cual se puede observar que tiene un
máximo de absorción a 475 nanómetros (verde-amarillento) y este tiene una
meseta hasta los 575 aproximadamente, esto se puede observar por el color del
dye, el cual es violáceo, debido a que la luz menos absorbida esta entre las zonas
violeta y roja, donde vuelve a perder eficacia, sabemos que estas células
presentarían absorción en 300 y 350, pero esta enmascarada por el FTO.
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