perspectivas mexicanas de investigación y desarrollo en celdas solares

5/26/2018 Perspectivas Mexicanas de Investigaci n y Desarrollo en Celdas Solares - slidep...

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This journal is NanoGe Journal on Energy and Sustainability [2013] [NanoGe J. Ener.Sust.],[2013], [1], 011002 |1

RESUMEN

La investigacin y desarrollo de las celdas orgnico/inorgnico surgi con la visin de explorar tecnologas fotovoltaicas de menorcosto, con materiales y mtodos de fabricacin baratos. En esta categora se incluyen: a) las celdas polmero-fulereno; b) las celdaspolmero conductor-semiconductor inorgnico, y c) las celdas sensibilizadas con tintes. Los tres tipos de celda estn basados enpolmeros orgnicos u otras molculas orgnicas sensibles a la luz para mediar la conversin de energa. En esta contribucin haremosuna breve introduccin del estado del arte de las celdas solares basadas en polmeros orgnicos y tintes, de los avances de algunos

RESUMEN

La investigacin y desarrollo de las celdas orgnico/inorgnico surgi con la visin de explorar tecnologas fotovoltaicas de menorcosto, con materiales y mtodos de fabricacin baratos. En esta categora se incluyen: a) las celdas polmero-fulereno; b) las celdaspolmero conductor-semiconductor inorgnico, y c) las celdas sensibilizadas con tintes. Los tres tipos de celda estn basados enpolmeros orgnicos u otras molculas orgnicas sensibles a la luz para mediar la conversin de energa. En esta contribucin haremosuna breve introduccin del estado del arte de las celdas solares basadas en polmeros orgnicos y tintes, de los avances de algunosgrupos en Mxico y de su perspectiva de innovacin y desarrollo tecnolgico en el corto y mediano plazo.

Perspectivas mexicanas de investigacin y desarrollo en celdas solaresorgnico/inorgnico

Hailin Zhao Hu1, G. Oskam2, Marina E. Rincn1

1Instituto de Energas Renovables-Universidad Nacional Autnoma de Mxico, Temixco, Morelos 62580, Mxico. 2Departamento de Fsica Aplicada,

Centro de Investigacin y de Estudios Avanzados del I.P.N. (Cinvestav), Mrida, Yucatn 97310, Mxico.

1. Celdas Fotovoltaicas Orgnicas

Este concepto de celdas inici en los aos 90 conheterouniones basadas en polmero/fulereno, [1-2] de manera que aveinte aos de su inicio ya existen en el mercado algunosprototipos para recargar laptops, telfonos celulares y aparatoselectrnicos porttiles. La eficiencia () con la que estas celdasconvierten luz en electricidad es tpicamente del 5%, muy inferioral 15% de celdas solares tradicionales con mayor costoenergtico. Aun as, la brecha entre el desempeo de dispositivosorgnicos vs. inorgnicos se ha empezado a cerrar gracias alresurgimiento de nuevas ideas y conceptos. Hace apenas unlustro, se report que las celdas fotovoltaicas orgnicas habanalcanzado una eficiencia del 7% en muestras pequeas [3-8] y seestablecieron las lneas prioritarias en esta rea de investigacin:diseo de nuevos polmeros semiconductores, heterounionesnovedosas, mejora en las condiciones de procesamiento, as comoun entendimiento ms completo de los fenmenos bsicos quegobiernan el desempeo de estos dispositivos.

Independientemente de la clasificacin, la celda solarorgnica tiene caractersticas comunes a los otros tipos de celda.

La regin fotoactiva (capa absorbedora), que en celdastradicionales sera un material semiconductor, en este tipo deceldas consiste de dos materiales: un absorbedor de luz donadorde electrones D (semiconductor tipo-p) y otro aceptor deelectrones A (semiconductor tipo n). Cuando la luz incide sobreellas, los fotones absorbidos por la celda se convierten en

partculas llamadas excitonesque son pares de electrn-hueco.stos migran hacia la interface A/D para ser separados por el

campo elctrico interno de la celda y moverse hacia losrespectivos electrodos; los electrones se transportan a travs delmaterial aceptor de electrones hacia el ctodo, y los huecos viajanva el donador de electrones hacia el nodo.

Para aumentar el desempeo de estas celdas, losinvestigadores de todo el mundo han experimentado con unaamplia gama de materiales A y D, as como con diversas manerasde incorporarlos. El aceptor de electrones que ms se haempleado es de la familia del C60, pues su alto potencial deionizacin (alrededor de 6 eV) permite una buena combinacinenergtica con donadores de electrones de la familia de lospolitiofenos (PT) o polifenil-vinileno (MDMO-PPV). Unamanera de incorporar los materiales A y D es depositando unosobre el otro, formando una celda con una configuracingeomtrica llamada bicapa o planar, muy parecida a la de lasceldas solares inorgnicas. Aunque este diseo es simple, esdifcil optimizar el desempeo de la celda, ya que la interface

A/D es pequea y definida, y los excitones generados en cadacapa tienen que atravesar una distancia de cientos de nanmetrospara llegar al colector, cuando su distancia tpica de difusin esde aproximadamente 10 nm, dando como resultado que muchosde ellos se recombinen. Para incrementar el rea interfacial, sepropuso mezclar los elementos activos A y D de manera queconstituyeran redes interpenetradas y bicontinuas en tresdimensiones, denominadas heterouniones en bulto(BHJ).

En los ltimos quince aos, las celdas solares orgnicas con



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ABSTRACT

Research and development of organic/inorganic solar cells started with the vision of exploring less expensive photovoltaictechnologies, with cheaper materials and fabrication methods. This category includes: a) polymer-fullerene cells; b) conductivepolymer-inorganic semiconductor cells, and c) dye-sensitized solar cells. The three types of cell rely on semiconducting organicpolymers or other light sensitive organic molecules to mediate energy conversion. In this contribution, a brief introduction of the stateof the art of solar cells based on organic polymers and dyes will be presented, as well as the innovation and technology development

perspectives of various groups in Mxico in the short and medium terms.

la estructura de bulto han mostrado mayores eficiencias deconversin que las de estructura planar o bicapa,[9] sin embargosigue siendo un problema serio la baja eficiencia de coleccin delos portadores de carga en una red tridimensional. Esto se debeprincipalmente a la baja movilidad de portadores de carga ensistemas polimricos desordenados [10, 11] y a la distribucinaleatoria de los materiales A y D que puede causar elatrapamiento y recombinacin de portadores en el trayecto hacialos electrodos colectores.[12] Paralelo a los avances de las BHJ,tambin se han logrado avances importantes en las celdas solaresde configuracin bicapa, reportando eficiencias de conversin de1.9% en diodos de polmero fabricados por la tcnica delaminado seguida por tratamientos trmicos controlados.[13] Lasestrategias para incrementar la interface A/D en celdas laminareshan hecho posible incrementos en la eficiencia de conversin de1.1 a 2.7%. [12] Como ejemplo, el sistema bicapa lder F8T2/C70,[14] reporta eficiencia de conversin de 3.4% bajo iluminacin deun sol, debido a los incrementos en el rea de la unin A/D y enla movilidad de portadores en la capa D para mantener el balancede cargas total.

1.2 Celdas fotovoltaicas orgnicas-inorgnicas

En este tipo de celdas se aprovecha el hecho de que la granmayora de los semiconductores inorgnicos tienen bandas de

conduccin y valencia posicionadas de manera tal que si secombinan con semiconductores orgnicos funcionan comoaceptores de electrones. Este tipo de heterounin se conoce comoheterounin hbrida, con un donador de electrones orgnico y unaceptor de electrones inorgnico, y puede haber muchascombinaciones entre estos dos grupos de materiales. [15]El trabajopionero del grupo de Alivisatos mostr la factibilidad de unacelda hbrida en forma de bulto formada por nanoalambres deCdSe y el polmero conjugado poli-3hexiltiofeno (P3HT). Lacelda dio una eficiencia de conversin de 1.7% en el ao 2002. [16]

Recientemente un mtodo novedoso de sntesis de nanoalambresde CdS monocristalino a lo largo de las cadenas principales deP3HT, formando nanocompuestos de CdS-P3HT de formainsitu,[17] mostr una eficiencia de conversin de 2.9% bajocondiciones de AM1.5. Tambin se han reportado otras opcionesde estructuras bicapas o multicapas para celdas solarescompletamente orgnicas o hbridas.[18-24]

1.3 Celdas solares sensibilizadas con tintes (DSSC)

La DSSC es una celda solar basada en nanomaterialesmesoporosos, colorantes moleculares y procesosfotoelectroqumicos. La eficiencia rcord oficial es 11.0% parauna celda de 1 cm2, y 9.9% para un sub-mdulo de 16.6 cm2.[25]Como en el caso de las celdas solares plsticas, existe gran intersen la industria en comercializar la celda por la promesa de una

celda solar de bajo costo, relacionada con los bajos costos de losmateriales base y la sencillez de los procesos de fabricacin. Ams de veinte aos del artculo de ORegan & Grtzel que dioinicio a esta lnea de investigacin,[26] existen ya algunosproductos comerciales, entre ellos de la compaia G24i, comoson un cargador de un telfono celular, un teclado Logitech,mochilas y bolsas, etc. Adicionalmente, hay proyectos paraincluir la DSSC en BIPV (building integrated photovoltaics), porejemplo, en ventanas inteligentes y en techos de acero inoxidable(Tata Steel Europe Dyesol; Dyetec-Solar). Compaas de todoslos tamaos, desde muy grandes (Sony, Sharp, Fujikura,Samsung, TIMO, etc.) hasta PYMEs (SolarPrint, 3G Solar,Solaronix, etc.) estn trabajando en crear soluciones especficasusando el principio de la DSSC.

La celda solar DSSC se basa en la separacin de los procesosde absorcin de luz y el transporte de carga en diferentesmateriales: la luz se absorbe por los colorantes molecularesadsorbidos en una capa de un xido de metal nanoestructurado ymesoporoso, de alta rea superficial. El estado excitado del tinte,resultante del proceso de absorcin de la luz, transfiere unelectrn a la banda de conduccin del xido que difunde hacia elcolector. El colorante se regenera por un donador de electrones enla contra fase, en general una solucin electroltica, y el aceptorque se genera (especie oxidada del par redox) se difunde hacia el

contra-electrodo para ser reducido otra vez generando el donador(especie reducida del par redox). El proceso total es regenerativoy no hay ningn cambio qumico neto.

Para aumentar la eficiencia y estabilidad de estosdispositivos, la investigacin en DSSC en aos recientes se haenfocado en los siguientes sub-temas: i) sntesis denanomateriales con propiedades electrnicas controladas; ii)diseo de tintes con mejor absorcin en la parte roja e infrarrojadel espectro solar; iii) diseo de nuevos tintes orgnicos; iv)nuevas formulaciones electrolticas y lo que implica: nuevos parredox, electrolitos slidos y a base de iones lquidos, nuevosaditivos, nuevos contra-electrodos, etc.; v) estudio de losprocesos fundamentales de transporte electrnico y

recombinacin, y vi) diseo de submdulos y escalamiento depaneles.De los avances ms relevantes en los subtemas de

investigacin citados, en 2011 se public un artculo reportandouna eficiencia de 12.3% a un sol, usando colorantes basados enporfirinas y un nuevo par redox de Co(bpy)3

n+, que incrementaronen potencial de circuito abierto de manera significativa. [27] Sepuede concluir que todava hay innovaciones importantes poresperar en el desarrollo de la DSSC.



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2. Panorama en Mxico

La contribucin de grupos mexicanos al avance y desarrollode celdas basadas en materiales orgnicos es sin duda amplia, ymuchos de los jvenes investigadores han tenido la oportunidadde formarse en laboratorios extranjeros pioneros en el tema.Instituciones como la Universidad Nacional Autnoma deMxico (UNAM) y el Centro de Investigacin y de Estudios

Avanzados del Instituto Politcnico Nacional (CINVESTAV),tambin han contribuido a la formacin de jvenes investigadoresactivos en el tema, incorporados a universidades estatales y envas de formar sus propios grupos de investigacin.

Como ejemplos de los avances en el Instituto de EnergasRenovables (IER) de la UNAM (antes Centro de Investigacin enEnerga-UNAM), se pueden citar la preparacin y caracterizacinde celdas solares hbridas de calcogenuros metlicos con poli3-octiltiofeno (P3OT) o poli3-hexiltiofeno (P3HT) bajo condicionesambientales;[28-30] la sntesis de polmeros semiconductores pormtodos oxidativos;[31, 32] el efecto del espesor del materialpolimrico y del oxgeno del medio ambiente en el valor delpotencial a circuito abierto de la celda;[30] el efecto de latemperatura de los baos qumicos de CdS en la morfologa delas pelculas y en el proceso de recombinacin de cargas en lainterfase CdS/P3OT. En colaboracin con la UniversidadAutnoma del Estado de Morelos (UAEM), el grupo IER-UAEMlogr valores de fotopotencialVocde 650 mV, fotocorriente Jsc>1mA/cm2y factor de llenado (ff) de 0.40. Continan explorndoseotros calcogenuros como el Bi2S3, el uso de nanopartculas deCdS en heterouniones hbridas de bulto, y el uso de tcnicas defotocorriente transitoria y fotovoltaje transitorio para estudiar losfenmenos de transporte y recombinacin de cargas en lasinterfaces orgnico/inorgnico. Por otro lado, en elCINVESTAV-Unidad Zacatenco, los estudios se han centrado enceldas solares de P3HT/n-Si, y en la preparacin de mezclas deP3HT:PCBM para estudiar el efecto de la morfologa de la capaactiva en el desempeo de celdas BHJ. [33,34] En investigacionesms recientes exploran materiales como el C61 y otros condiferente tamao de banda prohibida. En lo relativo a celdassensibilizadas con tintes, varios grupos en Mxico estndesarrollando investigacin en varios subtemas. Como ejemplo,el grupo en CINVESTAVMrida se enfoca en los subtemas desntesis de nanomateriales con propiedades controladas; procesosde transporte y recombinacin; diseo de nuevos tintes paraceldas basadas en ZnO, y en el escalamiento de la celda. [35-43]Hasta ahora, han logrado la fabricacin de celdas solares coneficiencia de 7.5% en rea de 0.5 cm2y planean escalar hasta un

tamao de sub-mdulo de 20 cm

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en 2013. Otras actividades afuturo son el desarrollo de celdas basadas en brookita, donde hanlogrado eficiencias de ms de 4%; la elaboracin denanomateriales de ZnO por varias rutas; el estudio experimental yterico basado en la solucin de la ecuacin de continuidad y laaplicacin de diferentes modelos para los procesosfundamentales; la incorporacin de celdas sensibilizadas con tinteen sistemas tndem para la generacin de hidrgeno por ladescomposicin fotoelectroqumica directa del agua, entre otros.

Otras investigaciones difciles de encasillar en un soloconcepto, pues pretenden el diseo y fabricacin de matrices

unidimensionales con potencial en celdas solares hbridas,DSSCy celdas solares sensibilizadas con semiconductores(SSSC), se estn llevando a cabo en el IER-UNAM, y hancontado con el patrocinio y la vinculacin propiciada por la redCYTED de Nanoenerga.[44] Se han estudiado por diversastcnicas electroqumicas con resolucin espacial y temporal,matrices de TiO2 obtenidas por oxidacin andica a bajo y alto

potencial;[45-47]

se estudi la incorporacin de nanotubos decarbono unipared como moldes de TiO2 unidimensional en laelaboracin de fotoelectrodos transparentes;[48] se estudi eldesempeo de estructuras ncleo/coraza de nanotubos de carbonomultipared/TiO2 y de nanocintas de TiO2 dopadas con C enSSSC.[49] El entendimiento de los mecanismos y fenmenos enmatrices unidimensionales de TiO2se benefici de la vinculacincon el grupo espaol, as como de resultados reportados entrabajos recientes,[50-51]marcando la pauta de futuros diseos enla colaboracin IER-UniversitatJaume I.

3. Perspectivas a corto y mediano plazo

Para poder consolidar los avances realizados y lograr otros demayor impacto, es claro que en Mxico se requiere de laintegracin de esfuerzos a nivel nacional, y de la vinculacin conredes internacionales en el tema de Nanoenerga. La crisisenergtica mundial ha sensibilizado a organismos y agencias definanciamiento mexicanas, como lo son el Consejo Nacional deCiencia y Tecnologa (CONACYT) y la Secretara de Energa(SENER)las cuales en aos recientes han aumentado la oferta deconvocatorias especficas en los temas de Nanotecnologa yEnergas Alternas.

Los ejercicios de vinculacin nacional entre la UNAM y elCINVESTAV-IPN, las dos instituciones mexicanas de mayortamao, han permitido delinear temas especficos de colaboracincon propsitos de mejorar las propiedades y desempeo de losdispositivos:

La estabilidad qumica de las tintas y losconductores electrnicos orgnicos en distintosambiente.

La estructura electrnica o ingeniera de bandas delas celdas I/O.

La fotogeneracin y el transporte de portadores decarga en distintas interfaces.

La eliminacin o minimizacin de la recombinacininterfacial.

Es indudable que si el desempeo de los dispositivos semejora, la tecnologa de estas celdas puede ser viableeconmicamente, tomando ventaja del menor costo de losprocesos en fase lquida y la produccin masiva va los mtodoscomerciales de impresin en banda o rollo a rollo. Ms an, elpoco peso y flexibilidad de los paneles fotovoltaicos orgnicospermite incorporarlos en productos no tradicionales y muyacordes a las demandas energticas de los gadgetsmodernos. Esatractivo tambin que sea relativamente fcil y barato entrar eneste campo de investigacin donde se requiere equipo ymateriales de bajo costo, en contraste con el equipo especializado



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y los procedimientos de manejo avanzado de algunossemiconductores inorgnicos. El hecho de que sean pocos losdispositivos en el mercado y que la mayora sigan en la etapa deinvestigacin y desarrollo, le da a Mxico ventaja para continuarinnovando en el diseo de materiales y heterouniones.

Agradecimientos

La presente contribucin est basada en el reporte decolaboracin de la Universidad Nacional Autnoma de Mxico yel Centro de Investigacin y de Estudios Avanzados del InstitutoPolitcnico Nacional.

Informacin del Autor

Marina E. [email protected]

Palabras clave

Celdas solares, orgnicas, inorgnicas, tintes

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perspectivas mexicanas de investigación y desarrollo en celdas solares

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