Celdas de Tercera GeneraciónInga. NATALIE FLORES DÍAZ

Ph.D. LESLIE. W. PINEDA

01/11/2014

1

Contenidos

1. Introducción panorama energético y celdas solares

2. Celdas de primera y segunda generación (uniones n-p)

3. Celdas solares de tercera generación

4. Investigación Universidad de Costa Rica

5. Conclusiones

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Introducción: Uso de energía

3

18 TW 2013

27 TW 2040

Energy Information Administration. (2013). International Energy Outlook 2013.

Emisiones de CO2 pasen de 36,4Tton (billones de ton) en laactualidad a 45,5 Tton en el2040.

Esta es la concentración de CO2en la atmósfera más alta en losúltimos 650000 años.

4Energy Information Administration. (2013). International Energy Outlook 2013.

Problemática ambiental

Uso de Energías Renovables

5

6

Energía Solar

1.7x105 TW provenientes

del sol en la atmósfera

terrestre.

Aproximadamente 600 TWllegan a la superficie terrestre

Energía limpia

Nos llega todos los días gratis

10% de toda esa energíapodrían suplir 60 TWprovenientes del sol.

Hagfeldt, A., Boschloo, G., Sun, L., Kloo, L., & Pettersson, H. (2010). Dye-sensitized solar cells. Chemical Reviews, 110(11), 6595–663. doi:10.1021/cr900356p

Reto: Paneles fotovoltaicos

7

Según la Agencia Internacional de Energía

2050

11% de la electricidad mundial

Tecnologías fotovoltaicas

Se evitarían

anualmente

2,3 Gigatoneladas de CO2

Celdas basadas en semiconductores

8http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/sili2.html

Silicio

n-dopado

p-dopado

Uniones n-p

9

Sandwich

Unión n-p

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/sili2.html

10

Se disminuye resistencia de la zona de

agotamiento, SÍ hay corriente

Zona de agotamiento

alta resistencia (aislante)

Se aumenta resistencia de la zona de

agotamiento, NO hay corriente

Luz Solar

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• Energía solar (fotones) genera más pareselectrón-hueco.

• Gracias al potencial de la unión n-p,los electrones son atraídos al lado n.

• Fotogeneración de corriente.

Celdas de Primera Generación

•Silicio monocristalino: material alta pureza

•Eficiencias entre

•Tecnología más costosa: altos costos de producción

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23-26%

Celdas de Segunda Generación•Silicio policristalino, amorfo

•CIGS(CuInGaSe)

•CIS (CuInSe2)

•CdTe

•Celdas Flexibles

•Eficiencias 19-22%

•Menores costos que las de primera generación

13

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Costos y generación

http://www.seia.org/research-resources/case-solar-investment-tax-credit-itc

Límite teórico de eficiencia

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Límite Shockley-Queisser

Abrams, Z. R., Gharghi, M., Niv, A., Gladden, C., & Zhang, X. (2012). Theoretical efficiency of 3rd generation solar cells: Comparison between carrier multiplication and down-conversion. Solar Energy Materials and Solar Cells, 99, 308–315. doi:10.1016/j.solmat.2011.12.019

Celdas de Tercera Generación

Se clasifican como:

1) Aquellas que tienen potencial para obtener valores de eficiencia mayores al límite de Shockley-Queisser (31%).

ó

2) Aquellas que logren costos menores a $0,5/Wp.

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Celdas de Tercera Generación

Celdas sensibilizadas con tintes.(DSSC)

Celdas con Perovskitas. Celdas orgánicas.(OPV) Celdas con puntos cuánticos.

(QDSC)

Celdas solares sensibilizadas con tintes (DSSC)

•Desarrolladas por Michael Grätzel y Brian O’Reagan en Suiza en

1991.

•Han alcanzado hasta un de eficiencia en investigaciones

recientes.

•Contienen una capa delgada de partículas nanométricas de un

semiconductor transparente; un tinte sensibilizante que se ancla a

estas partículas, un electrolito que regenera al tinte, y un catalizador

en el cátodo.

18O'Regan, B., & Grätzel, M. (1991). A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye sensitized colloidal TiO2 films. Nature (353), 737-740.

13%

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Esquema DSSC

Figura cortesía de M.Sc. Andrea Soto Navarro, CELEQ

20

Esquema DSSC

Figura cortesía de M.Sc. Andrea Soto Navarro, CELEQ

BC

Eregen

Eredox

Voc

Vidrio conductor

TiO2

I3-

3I-

Pt

Ru(II/III)*LUMO

Ru(II/III)HOMO

12

345

6

-1

Contra Electrodo

Electrodo de Trabajo

TrabajoEléctrico

EF

Vinyecℎ𝑣

𝑒−

Cortesía B.Q. Felipe Vinocour, CELEQ

Ventajas DSSC

•Bajos costos de producción y de inversión.

•Variedad en el diseño, transparencia, múltiples opciones de color, etc.

Acoplamiento arquitectura.

•Mejor desempeño en condiciones reales (luz difusa) que las celdas de

primera y segunda generación. Aprovechando incluso radiación de

lámparas de uso interno .

•Buen desempeño a altas temperaturas

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23

24

Celdas con Perovskitas

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Tecnología muy promisoria“Nueva Moda”

Park, N. (2013). Organometal Perovskite Light Absorbers Toward a 20 % E ffi ciency Low-Cost Solid-State Mesoscopic Solar Cell. The Journal of Physical Chemistry Letters, 4, 2423–2429.

Esquema celdas Perovskitas

26Park, N. (2013). Organometal Perovskite Light Absorbers Toward a 20 % E ffi ciency Low-Cost Solid-State Mesoscopic Solar Cell. The Journal of Physical Chemistry Letters, 4, 2423–2429.

Funcionamiento muy similar a DSSC

27

28https://www-thz.physics.ox.ac.uk/perovskites.html

Celdas Orgánicas (OPV)

29

Material donador de electrones

Material aceptor de electrones

http://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=2434

30

~12% eficiencia

Guo, F., Kubis, P., Stubhan, T., Li, N., Baran, D., Przybilla, T., … Brabec, C. J. (2014). Fully Solution-Processing Route toward Highly Transparent Polymer Solar Cells. ACS Applied Materials & Interfaces, 6(20), 18251–7. doi:10.1021/am505347p

31http://www.rsc.org/chemistryworld/2014/06/roll-roll-flexible-organic-tandem-solar-cells

Celdas con puntos cuánticos (QDSC)

32Rühle, S., Shalom, M., & Zaban, A. (2010). Quantum-dot-sensitized solar cells. Chemphyschem : A European Journal of Chemical Physics and Physical Chemistry, 11(11), 2290–304. doi:10.1002/cphc.201000069

Funcionamiento QDSC

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~ 9% eficiencia

http://quantumdot.lanl.gov/devices.shtml

Funcionamiento muy similar a DSSC

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja2096865

34http://www.solarnovus.com/quantum-dot-solar-cell-achievs-world-record-7-efficiency_N5475.html

(QDSC)

35http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg

Investigación CELEQ-UCR

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Dr. Adrián Pinto

Dra. Mavis Montero Inga. Karina Torres Inga. Natalie Flores M.Sc. Andrea Soto BQ. Felipe Vinocour

Guy Lamoureux, Ph. D

Dr. Leslie Pineda

BQ. Darío Chinchilla Inga. Annette VaglioM.Sc. Catalina Murillo

Investigación CELEQ-UCREstudio de pigmentos de extractos naturales para su uso en celdas solares sensibilizadas con tintes DSSC.

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Estudio de pigmentos obtenidos a partir demicroorganismos para su uso en DSSC.

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Investigación CELEQ-UCR

Estudio de derivados de ácidos biliares con gruposvoluminosos como coadsorbentes para mejorar eldesempeño de DSSC´s

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Investigación CELEQ-UCR

H

H

COO- Na

+R12

H R7

R3

H

NH

O

NH

O

NH

O

NH

O

Comp #2=

R12= R7=OH; R3:

Comp #3=

R12=R7=OH; R3:

Comp #4=

R12=OH; R7=H; R3:

Comp #5=

R12=R7=OH; R3:

Investigación CELEQ-UCR

Estudio de electrolitos alternativos basados en derivados dehidroquinona y naftoquinona.

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OH

OH

OH

OH

O

O

O

O

Investigación CELEQ-UCR

Estudio de electrolitos basados en compuestos deCo(II)/Co(III)

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Agradecimientos

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Dr. Thomas Moehl

Beca “Orlando Bravo”

Al Dr. Víctor Hugo Soto Tellini y M.Sc. Ariel Alfaro Vargas

A la M.Sc. Paola Fuentes Schweizer

Compañeros del grupo NanoFEM.

Al B.Q. Mario Molina, Pablo Izaguirre y la Lic. Maria Elena Sibaja

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Conclusiones

•Celdas de tercera generación son aquellas que tienenpotencial para alcanzar 31% o costos menores $0.5/Wp.

•Proceso de formación de corriente (fotocorriente) diferentea las celdas de 1da y 2da generación.

•Hasta el momento la mayoría siguen en etapa delaboratorio, y ya se ha llegado a casi 20% de eficiencia.

•Investigación en Universidad de Costa Rica se centra enCeldas solares sensibilizadas con tintes ya que es unatecnología que puede llegar a ser producida en el país.

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¡Muchas gracias!

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