Celdas solares de 1ª y 2ª generación

• Celdas de 1ª generación

• Espesor ~1 mm

• Homounión p-Si/n-Si

• Celdas de GaAs en homounión y heterounión

• Celdas de 2ª generación:

CdTe, CIGS y a-Si, TF-Si.

Contacto

Metalico

Regilla 3 mm

200 µm

300 µm

Antirreflexion

n+

p

p+

Homounión Si

Metal

Vidrio

n+

I

p+

CCT

Unión PIN de a- Si: H

0.7 µm

0.5 µm

Molibdeno

n+

n

p+

Zn O

Zn O

Cu In Se

Aislante

Eficiencia Area

16.9% 0.33 cm2

Metal

Vidrio

n+

p+

CCT

Cd Te

Cd S

Eficiencia Area

15.8% 1.05 cm2

Heterounion ZnO-CuInSe2 Heterounion CdS-CdTe

Estructuras de Celdas Solares

Eficiencias de conversión a nivel laboratorio[3]

[3] National Renewable Energy Laboratory Best Research-Cell efficiency (10-2012)

Celdas solares de tercera generación

La fotosíntesis es el mecanismo mediante el cual la planta transforma la energía luminosa en energía química liberando oxígeno en el proceso. El prefijo síntesis se refiere a la elaboración de *glucosa* (azúcar) por parte de la planta gracias a la energía obtenida de la luz. La fotosíntesis se lleva a cabo en las partes verdes de la planta, principalmente en las hojas. Las células que forman estas partes verdes en las hojas contienen organelos llamados cloroplastos, los cuales gracias a la molécula de la clorofila captan la luz. En los cloroplastos es capturado el dióxido de carbono del aire donde junto con la luz y el agua servirá para realizar la fotosíntesis. El proceso completo de la fotosíntesis puede ser expresado mediante la siguiente ecuación química: Energía luminosa 6(CO2) + 12(H2O) -----------------------> C6H12O6 + 6(O2) + 6(H2O) +ATP Clorofila*

Alimentos: frutos, verduras

Corte de una hoja

La clorofila se ve verde ya que ella absorbe en los rangos del azul y rojo,

y el refleja en el rango del verde, que es la señal que llega a nuestros ojos.

.

Aprendizaje de la fotosíntesis en las plantas

•Trabajo con sistemas no ordenados (amorfos) •La naturaleza no necesita equipos sofisticados de UHV •La fotosíntesis se realiza en todo el mundo sobre la faz de la tierra donde hay sol Esto significa que si pudiéramos generar (conocimiento, energía, alimento, etc.) con sistemas parecidos las hojas de las plantas tendríamos muchas ventajas

Energía luminosa 6(CO2) + 12(H2O) -----------------------> C6H12O6 + 6(O2) + 6(H2O) +ATP Clorofila*

En los años 1980-90

Ruptura con las formas convencionales del diseño de celdas solares de trabajar con sistemas mono y

policristalinos

Sistemas sofisticados en UHV

Sistemas mesoporosos DSSC, QD´s, orgánicos OPVs, híbridos, etc.

Celdas de Graetzel (1988)

COLORANTES

Celdas solares sensibilizadas con colorantes

Arturo Maldonado, Gabriela Mata, Sergio

Velázquez, Mario A. Sánchez, Carlos A. Pineda, Gerko Oskam, Luis Alberto González, José Luis Sosa,

Dalia Marín, Fernando Robles, J. Carlos Pereyra, y Guillermo Pérez

DIAGRAMA DE LA CELDA SOLAR SENSIBILIZADA

17

ROCIÓ PIROLÍTICO ULTRASÓNICO UBICADO EN EL

CINVESTAV D.F CON EL DR. ARTURO MALDONADO

• el roció que se genera en la primera cámara es llevado por un gas de arrastre a través del tubo de transporte (N2) a la segunda zona una temperatura de 450 ºC

18 Esquema de las partes que componen el proceso de roció pirolítico

SnO2:F; FTO, In2O3:Sn

El proceso sol-gel es la transición de un líquido (coloide) a un sólido (gel) que incluirá en su interior materiales de entidad orgánica o inorgánica [Jolivet 2003].

19

Reactivos:

• Isopropóxido de Titanio

• Etanol anhidro

• Agua desionizada

• Acido clorhidrico

Semiconductor tipo

n de TiO2

Síntesis de Nanopartículas de TiO2 por proceso

hidrotermal

127 °C 148 °C 167 °C

182 °C 210 °C 200 °C (ref.)

Imágenes en microscopia de barrido de electrones por emisión de campo (FE-SEM) de las películas porosas de TiO2 fabricadas por serigrafía

Comparación de tamaño de partícula recién sinterizada y en película porosa (530 °C)

Temperatura de síntesis (°C) del

proceso hidrotermal

Tamaño de partícula inicial (nm) en polvo

Tamaño de partícula en película porosa

(nm) tratada a 530 ºC

127 9 (127 ºC)

10.8

148 9.5 (148) 11

167 10 (167) 11.8

182 12 (182) 12.3

200 12 (200) 12.4

210 13.8 (210) 14.1

IMPRESIÓN SERIGRAFICA DEL SEMICONDUCTOR

MESOPOROSO DE TIO2 TIPO N

Con el propósito de elevar el área de contacto con el

colorante de rutenio por la técnica screen printing

(serigrafía) se coloca una capa porosa del

semiconductor de TiO2 tipo n sobre la capa compacta y

generar así la heterounión TiO2/SnO2:F.

23 Proceso de adición de una película de TiO2 por serigrafía

Impresión serigráfica de TiO2 mesoporoso

COLORANTE DE RUTENIO

El tinte es el encargado de absorber

la luz solar y donar electrones a la

banda de conducción del TiO2, por

lo que mientras mayor sea su rango

y su coeficiente de absorción,

mayor será la eficiencia de la celda

solar.

El colorante debe tener una buena

adhesión a la superficie del

semiconductor. Por lo tanto, el

colorante debe poseer un grupo

anclaje (grupos carboxilicos COOH)

para formar un enlace químico con

el TiO2.

24

Circuito equivalente de una celda solar

1exp0

TK

qVIIIII

B

LDL

1ln

0I

I

q

TKV LB

OC

Fabricación de celdas solares DSSC

(VOC= 0.7 V; JSC= 17.6 mAcm-2; FF= 0.587; η%= 7.035%).

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

J [m

A c

m-2]

Voltaje [V]

% n = 7,035792

% n = 6,944068

Celdas solares de TiO2

sensibilizadas con QDs

CEMIE-SOL, P27

Investigadores

Tzarara López Luke

Ramón Carriles

Elder De la Rosa

Estudiantes

Isaac Zarazua (posdoct)

Alejandro Martínez (posdoct)

Jorge Oliva (posdoc)

Diego Esparza (doct)

Andrea Cerdan (doct)

Ana Sánchez (maes)

QDs synthesis Colloidal chemistry

QDs GNAFOMA Lab

The quantum Confinement effect

QDs sensitized TiO2

Electrophoresis

SILAR

Impregnation

Chemical bath

Cell assemble

Polysulfide Electrolyte 1M Na2S:9H2O, 1M S, 0.1M NaOH

QDs sensitized TiO2

Electrophoresis

SILAR

Impregnation

Chemical bath

Jsc(mA/cm2) Voc(V)

FF(%) h(%)

S+P 12 .627 53.4 4.04

E+S 13.4 0.598 49 3.89

E+S+P 13.6 0.592 55.5 4.50

Celdas Orgánicas Fotovoltaicas Dr. José Luis Maldonado

Celdas OPV´s Celdas solares orgánicas (OPVs) de heterounión de volumen En estas celdas se utilizan polímeros orgánicos conductores como red de donantes y/o moléculas orgánicas como aceptor distribuido en una mezcla bicontinua de gran área interfacial para el transporte de las cargas generadas durante la absorción de la luz.

En una arquitectura típica de heterounión de volumen, Fig. 1, se intercala la capa de la mezcla fotoactiva entre un ánodo de óxido de indio-estaño y un cátodo metálico, mientras que la conversión de iluminación solar en fotocorriente se da en una secuencia de cuatro pasos: 1) La absorción de la luz conduce a la creación excitón, 2) El excitón se difunde a la molécula aceptora, 3) El excitón se disocia en cargas libres y 4) Las cargas son extraídas en los electrodos

“Desarrollo y fabricacion de modulos de celdas solares de TiO2 sensibilizadas con colorante (DSC) y puntos cuanticos (QDs), y de organicas fotovoltaicas (OPVs)”

Coordinador: Antonio Jiménez González (IER-UNAM)

Participantes Cinvestav-Mérida: Dr. Gerko Oskam Dr. Geonel Rodríguez Gattorno: Síntesis nanomateriales & reología pastas Dr. Oscar Arés Muzio: Celdas solares & escalamiento M.C. Beatriz Heredia – Técnico de investigación M.C. Rodrigo García Rodríguez – Estudiante de Doctorado: Métodos de caracterización M.C. Esdras Canto Aguilar – Estudiante de Doctorado: Celdas basadas en ZnO M.C. Renán Escalante Quijano – Estudiante de Doctorado: Escalamiento hasta 20 cm2

(primera Etapa: I.F. Renán Escalante Quijano – Estudiante de Maestría)

Objetivos Grupo Cinvestav-Mérida: • Fabricación de celdas solares de 0.5 cm2 con eficiencia de >7% • Desarrollo de un sub-módulo solar de 20 cm2 con eficiencia de > 4% (área activa) • Innovación en la tecnología de la celda solar sensibilizada por colorante.

40

Sub-módulos: 6 x 8 cm2

paralelo

Celdas individuales rayado mecánico

Agradecimientos • Sergio Velázquez Martínez

• Mario A. Sánchez García

• Carlos A. Pineda Arellano

• L. Alberto González Sotelo

• Gabriela Gutiérrez Mata

• Dalia Marín

• Rogelio Morán

• Luis & Roberto

• Dr. Marc Anderson

• Dr. Gerko Oskam

• Dr. Arturo Maldonado

• Dr. José Luis sosa

• Dr. Guillermo Pérez Álvarez

• José Luis Sosa Sánchez

PAPIIT – UNAM

Proyecto Estratégico CEMIE-Sol/27 del Fondo de Sustentabilidad Energética

SENER-CONACYT

Dr. Elder de la Rosa Dr. José Luis Maldonado Dra. Hailin Zhao Hu

Por su atención Mil Gracias

ajg@ier.unam.mx

Organización de actividades e integración de tareas

IER Dr. ANTONIO JIMENEZ

TiO2-c (sol-gel): Dalia Marín TiO2-m (serigrafía): Sergio, Carlos TiO2-m (serigrafía): Gaby, Luis, Dalia Electrolito: Mario, Sergio, Dr. Gerko Colorantes: Mario y Dr. Gerko Contraelectrodo: Mario y Sergio Ensamblaje de la DSSC: todos Caracterización: Ma. Luisa, Rogelio, Oscar y José

Colaboración: Dr. Gerko O. CINVESTAV Mérida

FTO CINVESTAV D.F Drs. Arturo Maldonado,

María de la Luz Olvera, Rajesh

Biswal

Electrolito CINVESTAV Mérida Dr. Gerko +

Grupo de Invest.

Dr. José Luis Sosa + Estudiante de maestría

Colorantes CINVESTAV Mérida,

Dr. José Luis sosa, BUAP Instituto de Biología -UNAM

Perovskitas CINVESTAV Mérida Dr. Gerko

BUAP Dr. José Luis sosa + Estud. + Sergio y Dalia

Modelado de celdas solares y módulos FV Dr. Guillermo Pérez

Escalamiento a módulos FV Dres. Arturo Maldonado, Dr. Antonio Jiménez, Dr. Gerko,

Ings. Electrocamecánica, eléctrica, Física,

Financiamiento: Proyecto CEMIE-Sol del Fondo SENER-CONACYT

2013-2017

Balance de la fotosíntesis. • En la fase luminosa se produce el ATP y el NADPH necesarios para, en la

fase oscura, reducir el CO2 a materia organica. Si, por ejemplo, se considera la sintesis de una molecula de glucosa (C6H12O6), se observa que son necesarios

6 CO2 y 12 H20. Esta agua libera sus 6 O2 a la atmosfera, durante la fase luminosa, y aporta los 12 hidrógenos de la glucosa y los 12 hidrógenos

necesarios para pasar los 6 O2 sobrantes del CO2 a H2O. Como intervienen 24 hidrógenos, aparecen 24 H+ y 24 e-, y como cada electron precisa el impacto de dos fotones, uno en el PSI y otro en el PSII, se necesitan 48 fotones (hv).

• En el ciclo de Calvin se precisan, por cada CO2 incorporado, 2 NADPH y 3 ATP; asi pues, para una glucosa son necesarios 12 NADPH y 18 ATP.

se inicia agregando 21 mL de Ti-isopropóxido a 4 mL de ácido acético en agitación. Esta solución se agrega por pipeteo lento a 145 mL de agua en agitación en un matraz balón colocado en una mantilla de calentamiento, luego se mantendrá en agitación vigorosa durante una hora. A la mezcla obtenida se le agrega 1.4 mL de ácido nítrico para el peptizado que se realiza a 80°C por 75 minutos. Al final obtenemos 150 mL en esta síntesis, de donde se separan 5 tandas de 30 mL cada una y se introducen en una bomba de digestión para ser sometidas a 200°C por 12 horas.