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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.
16
17
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%
19
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
22
23
24
Celdas con Perovskitas
25
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
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28https://www-thz.physics.ox.ac.uk/perovskites.html
Celdas Orgánicas (OPV)
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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.
40
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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