DSSC trabajo 2008

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

Fabregat – Sanchez 1/37


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



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.



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



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.



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



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:



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



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



Fig. 1.Registro en el que se aprecia la evolución de la eficiencia de las células

solares a lo largo de los años



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


http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Ganancia_neta_de_energ%C3%ADa&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Sahara

http://es.wikipedia.org/wiki/Panel_fotovoltaico#cite_note-2


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.



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



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


Grupos con propiedades redox

Grupos de anclaje

Ligandos modificadores del GAP

Grupos con propiedades redox

Grupos estabilizadores de carga


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.



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


http://es.wikipedia.org/wiki/Panel_fotovoltaico


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



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



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.



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.



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.



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...



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.



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.



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



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:



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:



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.



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)


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


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



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:


scoc

mpmp

scoc IV

IV

IVP

FF max

ilumPPmax100


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.


0

10

20

30

40

50

60

Efi

cien

cia

(%)

Ce

lda

IA4

7

Ce

lda

tip

ica

dy

e

Sili

cio

mu

ltic

ris

talin

o

Cu

/In/G

a

Es

tru

ctu

ras

me

tam

orf

ica

s(r

ec

ord

)

Es

pe

cta

tiv

ate

ori

ca

20

20

Rendimiento distintos tipos celdas solares


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


http://www.sciencedaily.com/releases/2006/09/060918201621.htm

http://www.sciencedaily.com/releases/2006/09/060918201621.htm


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.



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


http://en.wikipedia.org/wiki/Dye-sensitized_solar_cell#cite_note-9

http://en.wikipedia.org/wiki/Luminescent

http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=UV_absorbing&action=edit&redlink=1

http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=UV_absorbing&action=edit&redlink=1

http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=UV_stabilizer&action=edit&redlink=1

http://en.wikipedia.org/wiki/UV_light

http://en.wikipedia.org/wiki/Ampere


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.


DSSC trabajo 2008

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