Pic 2011 Construccion de Un Celda Fotovoltaica

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CONSTRUCCION DE UN CELDA FOTOVOLTAICA

Calderón Gómez F., Chirinos Ríos M., Choque Yaya P., Febres Peñalva D., LinaresZúñiga R., Mayca Moreno S., Ortiz Laura C., Tejeda Ramírez L., Ucharico CoaquiraC., Bautista Humpire J.

Universidad Católica San Pablo, Urbanización Campiña Paisajista Quinta Vivanco s/n. CercadoArequipa, Perú.

Resumen:

La conversión de la energía solar en electricidad o energía fotovoltaica no contribuye a lacontaminación atmosférica ni al calentamiento global, aunque aún resulta más costosa que la proveniente de los combustibles fósiles. Una variante menos costosa de las celdas solaresfotovoltaicas la constituyen las celdas solares sensibilizadas, que son objeto de investigación intensaen los últimos años por sus perspectivas.

Por esto es necesario pensar y analizar otras fuentes de energía tales como las energías renovables,en nuestro caso las celdas fotovoltaicas.

La instalación, la mantención y la vida útil de estos sistemas son un elemento importante almomento de contextualizar el sistema fotovoltaico como solución a un suministro de electricidad, por lo que también se presenta un análisis de estos tópicos, así también como los costos queintervienen en dicha implementación.

Palabras Clave: Celda solar fotovoltaica, Dióxido de Titanio, antocianinas.

1. INTRODUCCION

El siguiente proyecto tiene una real importancia para la comunidad arequipeña y también altiplánica, quese cuenta con una privilegiada radiación solar; de manera tal, que en estos tiempos que se sufre enmuchas partes de la crisis energética, el proyecto ayuda a optimizar el sol o buscar una alternativa desolución para no utilizar agentes contaminantes como petróleo y sus derivados; por lo tanto es muymotivante por desarrollar.

Básicamente lo que vamos a desarrollar es la absorción y optimización de luz solar la mayor parte delaño abundante en nuestra ciudad, por medio del proyecto realizado; ahora bien definamos los que son lasceldas solares fotovoltaicas: son elementos que producen electricidad al incidir la luz solar sobre susuperficie.

La conversión de la energía solar en eléctrica tiene sus antecedentes en los semiconductores, cuando seempezaron a fabricar se observó que si estos eran expuestos a la luz se generaba una pequeña corrienteeléctrica. Estos se construían sobre un soporte de Silicio ó Germanio y de dos tipos según un materialdopado en la matriz silícica o germánica, los de material tipo n que tenían un electrón en exceso conrespecto al estado estable de la estructura electrónica de silicio Grupo VA y los de material p con unelectrón menos que la estructura electrónica de la matriz silícica Grupo IIIA. Si bien dichos materialesson utilizados para la transformación de la energía solar en eléctrica, presentan la desventaja que el costo

de procesamiento es muy alto, lo que los hace poco competitivos.En la época de los años 90’s un científico alemán Michael Graetzel invento una pila solar que a diferenciade las tradicionales no era construida con semiconductores basados en silicio y Germanio y ademásemulaba el proceso de la fotosíntesis hacia formas eléctricas. Su idea consistió en que sobre una cubiertade vidrio conductor se depositara un semiconductor genérico, se empleo para tal efecto un material poroso TiO2 que era impregnado con jugo de clorofila ó de algún colorante natural por ejemplo el de laszarzamoras. Graetzel en una conferencia del congreso Echos '06 presento datos de como este tipo deceldas presentan un 20% mas efectividad que las basadas en silicio (Figura 1) (7) (8).



Figura 1. Celdas de colorantes

2. FUNDAMENTO TEORICO.

La construcción de una célula fotovoltaica (PV), o células solares se basa en utilizar en vez del silicio ensu celda, lo que va a utilizar jugo de mora como un amortiguador. El jugo de mora está lleno decompuestos químicos de clase conocidos como antocianinas (fig. 2). Estos compuestos son los que danmuchas frutas y vegetales sus colores distintos. Esto incluye las moras, fresas, frambuesas, e incluso loscolores rojo oscuro y el naranja de las hojas de otoño (9) (10).

Figura 2. Molécula Anthocyanin

Para que una célula fotovoltaica de funcionar, la luz debe ser absorbido y convertido en electrones. Estahazaña se logra por la antocianina, que tiene una estructura molecular que actúa lago una antena defotones. Cuando la luz se recoge, la molécula entra en un estado excitado. Aprovecharemos ese electrónadjuntando la antocianina a un semiconductor de dióxido de titanio.

El dióxido de titanio, también conocido como óxido de titanio, TiO2 tiene la estructura molecular y esuno de los compuestos de óxido más común en la Tierra al lado de sílice (arena y vidrio). La estructuracristalina se muestra en la figura 3. El Titanio es el compuesto que da muchas cosas de su aspecto blanco brillante. Esto incluye la pintura blanca, bloqueador solar y crema dental. Como se mencionóanteriormente, dióxido de titanio es un semiconductor, pero no es un buen absorbente de la luz, de ahí elcolor blanco. Que se absorbe en el espectro de los rayos UV y se está estudiando como foto catalizador para dividir el agua y la limpieza de smog lleno de aire.

Figura. 3. Estructura cristalina del Titanio

2.1. CELDAS SOLARES FOTOVOLTAICAS:

Las celdas fotovoltaicas son elementos que producen electricidad al incidir la luz sobre su superficie. Lafuente de luz utilizada generalmente es el sol. Son conocidas también como baterías solares, fotopilas ogeneradores helio voltaicos.



Constituyen el motor de cualquier sistema solar, los rayos solares son el combustible para que las celdasfuncionen correctamente; sin ellas no podríamos contar en la actualidad con paneles solares o cualquier otro dispositivo que funcione a base de esta energía. (1)

Su construcción se ha generalizado debido a la falta de sistemas de redes eléctricas y a su bajo costo. Latecnología fotovoltaica se emplea para suministrar electricidad a diferentes aplicaciones como sistemas detelefonía satelital, educación vía satélite, seguridad y control de plataformas marinas no tripuladas, entreotras aplicaciones. (2)

2.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Para entender su funcionamiento, necesitamos considerar la naturaleza del material y la naturaleza de laluz del sol. Su forma más común se basa en el efecto fotovoltaico, en el cual la luz que incide sobre undispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia del potencial entre las capas. Este voltajees capaz de conducir una corriente a través de un circuito externo de modo de producir trabajo útil. La parte más importante de las celdas solares son las capas de semiconductores. (3)(4)

Están formadas por dos tipos de material, generalmente silicio tipo p y silicio tipo n. La luz de ciertaslongitudes de onda puede ionizar los átomos en el silicio y el campo interno producido por la unión quesepara algunas de las cargas positivas ("agujeros") de las cargas negativas (electrones) dentro deldispositivo fotovoltaico. Los agujeros se mueven hacia la capa positiva o capa de tipo p y los electroneshacia la negativa o capa tipo n. Aunque estas cargas opuestas se atraen mutuamente, la mayoría de ellassolamente se pueden recombinar pasando a través de un circuito externo fuera del material debido a la barrera de energía potencial interno. Tal como se muestra en la figura 4.

Figura. 4 Funcionamiento de la celda fotovoltaica

Por lo tanto si se hace un circuito se puede producir una corriente a partir de las celdas iluminadas, puestoque los electrones libres tienen que pasar a través del circuito para recombinarse con los agujeros positivos. La cantidad de energía que entrega un dispositivo fotovoltaico está determinado por:

• El tipo y el área del material

• La intensidad de la luz del sol

• La longitud de onda de la luz del sol. (4)

2.3. TIPOS DE CELDAS FOTOVOLTAICAS

En primer lugar diremos que existen tres tipos de celdas fotovoltaicas, bien definidos, dependiendo deforma de procesar el Silicio:

• Las de silicio monocristalino, son las más conocidas, estas celdas se obtienen a partir de barrascilíndricas de silicio producidas en hornos especiales, se obtienen de las barras en forma de obleascuadradas muy delgadas, y su eficiencia en la conversión de la luz solar es superior a doce por ciento(12%).

• Las celdas de silicio policristalino, que son las que se obtienen a partir de bloques de silicio por fusión de este material puro en los moldes especiales. En los moldes de silicio se enfrían lentamentehasta solidificarse, en este proceso, los átomos se organizan en un único cristal y se forma una



estructura policristalina con superficies de separación entre cristales. Su eficiencia en la conversiónde la luz solar en electricidad es algo menos si las comparamos con las de silicio monocristalino. (5)

• Las de silicio amorfo, que son las que se obtienen mediante la deposición de capas muydelgadas de silicio sobre superficies de vidrio o metal. Su eficiencia en conversión de radiación solar en electricidad varía entre un cinco o un siete por ciento.

Existen otros tipos de celdas fotovoltaicas, que son las llamadas de barrera superficial, que se obtienen partiendo de un depósito de semiconductor policristalino en una placa metálica, que forma el electrodo posterior, el anterior está formado por un depósito de oro bastante fino para resultar transparente, o por undepósito metálico en forma de rejillas.

Las principales ventajas que tienen todos los tipos de celdas fotovoltaicas, es que son silenciosas yconfiables, al no tener partes móviles duran mucho tiempo, pueden ser instaladas en forma rápida ysencilla, no producen dióxido de carbono durante el uso y la contaminación de agua y aire durante suoperación es baja y la contaminación de aire durante su manufactura también.

Pero si hablamos de las ventajas y desventajas caben mencionar las desventajas; una de ellas es el costo,aunque se espera que estos precios sean competitivos en los próximos años.

3. PARTE EXPERIMENTAL

3.1. Preparación del electrodo

a. Precalentar el hornillo girando a la posición máxima (placas grandes conjuntos de la mitad).

b. Empiece por obtener dos piezas de la realización de vidrio. Uno de ellos será el ánodo con la películade óxido de titanio y colorantes, y el otro el cátodo.

c. Encienda el multímetro para el ajuste de la resistencia (Ω) y poner a prueba el pedazo de vidrio parala conductividad. Sólo un lado es conductor y este es el lado que debe utilizar como sustrato para la película de óxido de titanio y colorantes.

d. Preparar la realización de la parte mojando con isopropanoly limpiar la pieza de vidrio (como la limpieza de una

ventana). Siga esto con una limpieza similar con aguadesionizada y seque.

e. Usando cinta adhesiva, hacer un borde de 3 lados con dostrozos de cinta en cada lado. Use un pedazo de cintaadhesiva en el lado del cuarto. Suave y pulse la cintaempujando y arrastrando una barra de agitación de vidriosobre la superficie. Véase la Figura 5.

3.2. Hacer la pasta de óxido de titanio

a. Medir aproximadamente 0,5 a 1,0 g de polvo de óxido de titanio en el balance y añadir un vaso pequeño.

b. Añadir ácido nítrico diluido, gota a gota, mezclando con una espátula de teflón después de cada 3-4gotas.

c. Revuelva la mezcla a fondo con las espátulas durante unos 3-4 minutos. La aplicación de la película

d. Usando una espátula, aplique 2-3 gotas de la pasta de óxido de titanio con el borde superior de la plaza de la realización de vidrio. Utilizando una varilla de agitación, rápidamente barrer la pasta deóxido de titanio, de arriba abajo, cubriendo la plaza de vidrio. Si la película no se pegue, simplemente barrer hacia arriba y otra hacia abajo.

e. Espere aproximadamente dos minutos para que la película seca. Retire con cuidado la cinta adhesivade la frontera, prestando atención a que no salpique la pasta húmeda.

f. Coloque con cuidado el pedazo de vidrio en la parte superior de la placa precalentada. Mantenerloallí durante 20 minutos (paso Ir a 12 mientras espera), y luego se apaga el fuego por lo que la película poco a poco se puede enfriar.

Figura 5. Conductive glass withtape border. Number of pieces of tape are shown.



3.3. Preparación del medio de contraste

a. 12. Retire la pieza de vidrio enfriado (el ánodo) y el lugar lo suficiente tinte jugo de chicha morada

en la película de óxido de titanio debe estar cubierto completamente. Mantenerlo allí durante 10minutos. Mientras tanto, prepare el electrodo contador (Paso 3.4).

b. Después de 10 minutos, enjuague suavemente el colorante de mora desde el electrodo con aguadesionizada seguido de isopropanol (esto es esencial). Secar suavemente el electrodo

3.4. Preparación del electrodo contador

a. Con un lápiz, "de color en" el lado conductor de la segunda pieza de vidrio. Se toman un color grisligero. El grafito funciona como un catalizador para el electrolito redox. Compruebe que esto se haceen el lado conductor.

3.5. Montaje de la célula

a. Coloque el electrodo de óxido de titanio / colorante en el banco de laboratorio. Colocar el electrodocontador en la parte superior de la misma, compensando de tal manera que la película todavía estácubierto por el electrodo opuesto, pero no se trata de ⅛ "del cristal de exposición para las conexionesen ambos electrodos. Véase el gráfico 6.

Figura 6 Ensamblaje de la celda

b. Abrazadera de los dos electrodos, junto con dos clips de la carpeta. Deben ser colocados en los ladosadyacentes a los electrodos.

c. Agregar el electrolito redox mediante la colocación de una gota de la solución electrolítica en uno delos bordes de la celda de electrodos. Poco a poco se abren y cierran los clips de la carpeta, uno a la

vez, hasta que la solución de electrolitos café se introduce en la celda, lo que hace la película deóxido de titanio aspecto mojado.

4. RESULTADOS

Después de varios ensayos se ha llegado a los siguientes resultados:

Si hay transferencia de electrones pero esto dependerá mucho del tipo de antocianinas que se usa, elmétodo y el tipo de vidrio conductor, se detalla en la figura 7.



Figura 7 Resultados celda fotovoltaicaLa variación de voltaje esta en función de tiempo, como se muestra la grafica muestra diferentes cambiosde voltaje, en relación a la luz solar aumentados en la misma y disminuyendo cuando no esta expuesto.

5. DISCUSIÓN

Las antocianinas, así como otros compuestos inorgánicos, se adhieren muy bien a titanio debido a unnúmero de hidroxilo (-OH) en tanto el óxido de titanio y el tinte. Cuando los electrones son producidos por el medio de contraste, se conducen a través de la molécula y en el óxido de titanio. Mientras la película de óxido de titanio se une a una superficie conductora, podemos aprovechar los electrones pararealizar tareas útiles, tales como encender una bombilla. Como dice el refrán, sin embargo, no se puedeobtener algo por nada. La molécula de colorante no pueden producir un suministro infinito de electronesy debe ser regenerado. Mediante el uso de un donante de electrones, o de electrolitos redox, los electrones

se entregan de nuevo a la tintura. Por supuesto, este electrolito no tiene un suministro ilimitado deelectrones sea. El electrolito recibe los electrones desde el retorno de los electrones generados por mediode contraste que se enviaron a través del circuito. Este ciclo es importante, los electrones no se "agotan"ni se destruye, el poder es utilizado para hacer una cierta cantidad de trabajo. Este dispositivo todo: tinte,óxido de titanio, y el complejo donador de electrones crea lo que se conoce como células solaressensibilizadas por colorante, o DSSC. Este tipo de célula fue "inventada" y publicada por Michael Grätzelen la revista Nature en 1991, pero la naturaleza se ha estado llevando a cabo este mismo proceso desdehace milenios en las plantas mediante el uso de la clorofila.

300 400 500 600 700 800 900

Wavelength (nm)

s or

an c e ar

Figura 8. Efecto de absorcion de las antocianinas



6. CONCLUSIONES

• Una celda fotovoltaica tiene como función primordial convertir la energía captada por el sol enelectricidad a un nivel atómico.

• Los fotones de luz son absorbidos para luego irradiar electrones.

• La construcción de celdas fotovoltaicas se ha generalizado debido a la falta de sistemas de redeseléctricas y a las grandes áreas rurales y despobladas que el mundo posee actualmente.

• Las celdas fotovoltaicas son de bajo costo y aplicables en electrificación y telefonía rural como bombeo de agua y protección catódica.

• Las celdas son el motor de cualquier sistema solar, mientras que los rayos solares, el combustible para que las celdas funcionen correctamente; su garantía es no menor a 25 años lo que implica ungran ahorro en mantenimiento o arreglos.

7. BIBLIOGRAFIA

1. http://www.angelfire.com/electronic2/electronicaanalogica/celda.html

2. http://www.instalacionenergiasolar.com/energia/celdas-fotovoltaicas.html3. http://knol.google.com/k/celdas-solares-caseras#

4. http://www.textoscientificos.com/energia/celulas

5. Graetzel Sensitized Solid State Heterojunction Solar Cells, Echos ´06 Paris France, Michael Graetzel

6. Greg P. Smestad and Michael Graetzel, “Demonstrating Electrón Transfer and Nanotechnology: A Natural Dye-Sensitized Nanocrystalline Energy Converter” Journal of Chemical Education Vol 75, pp 752-756, June 1998

7. HervéNusbaumer, Alternative Redox systems for the dye-sensitized solar cell, Doctorate thesisÉcolepolytechniquefederale de lausanne

8. Wayne M. Campbell, Qin, Edia E. Bonfantani, Kenneth W. Jolley, David L. Officer,* Penny J.Walsh, Keith Gordon, Robin Humphry-Baker, Mohammad K. Nazeeruddin,* and MichaelGrätzel Efficient Light Harvesting by Using Green Zn-Porphyrin-Sensitized NanocrystallineTiO2 Films J. Phys. Chem. B, 109 (32), 15397-15409, 2005. 10.1021/jp052877w S1089-5647(05)02877-4

9. Won K. Seok,* A. K. Gupta, Seung-Jae Roh,†Wonjoo Lee,† and Sung-Hwan Han†,*Synthesis and Application of New Ru(II) Complexes for Dye-Sensitized Nanocrystalline TiO2 Solar Cells, Bull. KoreanChem. Soc. 2007, Vol. 28, No. 8 1311

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