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Celdas de Tercera GeneraciónInga. NATALIE FLORES DÍAZ
Ph.D. LESLIE. W. PINEDA
01/11/2014
1
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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
2
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Introducción: Uso de energía
3
18 TW 2013
27 TW 2040
Energy Information Administration. (2013). International Energy Outlook 2013.
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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
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Uso de Energías Renovables
5
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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
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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
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Celdas basadas en semiconductores
8http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/sili2.html
Silicio
n-dopado
p-dopado
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Uniones n-p
9
Sandwich
Unión n-p
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/sili2.html
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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
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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.
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Celdas de Primera Generación
•Silicio monocristalino: material alta pureza
•Eficiencias entre
•Tecnología más costosa: altos costos de producción
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23-26%
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Celdas de Segunda Generación•Silicio policristalino, amorfo
•CIGS(CuInGaSe)
•CIS (CuInSe2)
•CdTe
•Celdas Flexibles
•Eficiencias 19-22%
•Menores costos que las de primera generación
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Costos y generación
http://www.seia.org/research-resources/case-solar-investment-tax-credit-itc
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Límite teórico de eficiencia
15
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
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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)
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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
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20
Esquema DSSC
Figura cortesía de M.Sc. Andrea Soto Navarro, CELEQ
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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
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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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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.
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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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27
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28https://www-thz.physics.ox.ac.uk/perovskites.html
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Celdas Orgánicas (OPV)
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Material donador de electrones
Material aceptor de electrones
http://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=2434
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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
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31http://www.rsc.org/chemistryworld/2014/06/roll-roll-flexible-organic-tandem-solar-cells
![Page 32: 09-Exposolar](https://reader035.vdocuments.co/reader035/viewer/2022062421/563dba90550346aa9aa6b403/html5/thumbnails/32.jpg)
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
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Funcionamiento QDSC
33
~ 9% eficiencia
http://quantumdot.lanl.gov/devices.shtml
Funcionamiento muy similar a DSSC
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja2096865
![Page 34: 09-Exposolar](https://reader035.vdocuments.co/reader035/viewer/2022062421/563dba90550346aa9aa6b403/html5/thumbnails/34.jpg)
34http://www.solarnovus.com/quantum-dot-solar-cell-achievs-world-record-7-efficiency_N5475.html
(QDSC)
![Page 35: 09-Exposolar](https://reader035.vdocuments.co/reader035/viewer/2022062421/563dba90550346aa9aa6b403/html5/thumbnails/35.jpg)
35http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg
![Page 36: 09-Exposolar](https://reader035.vdocuments.co/reader035/viewer/2022062421/563dba90550346aa9aa6b403/html5/thumbnails/36.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
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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.
38
Investigación CELEQ-UCR
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Estudio de derivados de ácidos biliares con gruposvoluminosos como coadsorbentes para mejorar eldesempeño de DSSC´s
39
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:
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Investigación CELEQ-UCR
Estudio de electrolitos alternativos basados en derivados dehidroquinona y naftoquinona.
40
OH
OH
OH
OH
O
O
O
O
![Page 41: 09-Exposolar](https://reader035.vdocuments.co/reader035/viewer/2022062421/563dba90550346aa9aa6b403/html5/thumbnails/41.jpg)
Investigación CELEQ-UCR
Estudio de electrolitos basados en compuestos deCo(II)/Co(III)
41
![Page 42: 09-Exposolar](https://reader035.vdocuments.co/reader035/viewer/2022062421/563dba90550346aa9aa6b403/html5/thumbnails/42.jpg)
Agradecimientos
42
Dr. Thomas Moehl
Beca “Orlando Bravo”
![Page 43: 09-Exposolar](https://reader035.vdocuments.co/reader035/viewer/2022062421/563dba90550346aa9aa6b403/html5/thumbnails/43.jpg)
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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