Estructuras mesoporosas de tio2 y su aplicación en celdas solares de tercera generación

En este trabajo de tesis se prepararon películas mesoporosas de dióxido de titanio mesoporoso (TiO2-mp) preparadas por el método de sol-gel, utilizando diferentes porcentajes del polímero polivinilpirrolidona (PVP), el cual funciona como inductor de porosidad en el material y depositadas por la técnica de spin-coating. Se hicieron tratamientos térmicos de 120 a 600 °C por 1 y 3 horas. A temperaturas mayores de 500 °C y con la ayuda de la técnica de difracción de rayos x (DRX) se confirmó que se presentan picos definidos de la fase Anatasa con estructura tetragonal, con tamaños de cristal de 19.5-21 nm. Los análisis de morfología de superficie arrojaron que el rango de tamaño de poros osciló entre 15-30 nm. Se estimó la porosidad volumétrica por primera vez usando la teoría de promedio volumétrico con la ayuda de análisis de índice de refracción. Se estimó que la porosidad de las películas varía entre 40.3-43.6% cuando las revoluciones por minuto (rpm) del spin-coating variaron de 1000-2500. Estas películas TiO2-mp se utilizaron como capas soporte y transportadores de electrones para dos tipos de celdas: 1) celdas sensibilizadas de puntos cuánticos. Para este tipo de celdas se prepararon hetero uniones de seleniuro sulfuro de antimonio (Sb2(SxSe1-x)3) en estado sólido como material absorbedor con capas sensibilizadoras de sulfuro de cadmio (CdS) depositadas sobre el TiO2-mp. El CdS se depositó por la técnica succesive ionic layer adsorption and reaction (SILAR) y el (Sb2(SxSe1-x)3 por la técnica de baño químico (CBD). Se observó que el aumento de capas sensibilizadoras de CdS mejoran el desempeño fotovoltaico, debido a la reducción de Sb2O3 y al promover una mejor nucleación del (Sb2(SxSe1-x)3 durante el baño químico. El mejor resultado fotovoltaico se obtuvo con una celda fabricada a 30 ciclos de CdS (CdS-30). Esta produjo un voltaje de 434 mV, una densidad de corriente de 9.73 mA/cm2 y una eficiencia de 1.69%. 2) celdas de perovskita. Se fabricaron diferentes combinaciones de celdas, variando el material transportador de huecos (HTL, hole transport layer, por sus siglas en inglés), para lo cual se usaron el Poli (3-hexiltiofeno-2,-5-diil) (P3HT) y el spiro-MeOTAD y el porcentaje de PVP incorporado. Para las celdas con P3HT se utilizaron películas mesoporosas al 20% de PVP variando las rpm’s en el proceso de spin-coating. Con esto se correlacionó, el espesor y la porosidad volumétrica (se reportará el método de porosidad volumétrica) con la eficiencia final del dispositivo. Se encontró que las celdas preparadas a 1500 y 2000 rpm, tuvieron un espesor de 203, 168 nm y una eficiencia de 1.24 y 2.14% respectivamente. La mejor celda con esta configuración se obtuvo a 1000 rpm (308 nm de espesor y 41.6 % de porosidad), la cual presentó una densidad de corriente de 17.15 mA/cm2, generando un 6.29% de eficiencia. Al cambiar el HTL por spiro-MeOTAD, así como aumentar la porosidad del material se obtuvo el mejor dispositivo con 0.96 V, densidad de corriente de 24.08 mA/cm2, un factor de llenado de 49.22 y una eficiencia del 11.37%.

In this thesis’s work mesoporous titanium dioxide films (TiO2-mp) were prepared with sol-gel method, using different percentages of the polymer polyvinylpyrrolidone (PVP), which works as a inducer of the porosity, and they were deposited by the spin-coating technique. It was done several thermal treatments at 120 to 600 °C for 1 and 3 hours. At temperatures of 500 °C it was confirmed the well-defined peaks of anatase with a tetragonal structure with crystal size of 19.5-21 nm with the x-ray diffraction (XRD). The top view morphology analysis of the films showed a range of porous sized between 15-30 nm. It was estimated for the first time the volumetric porosity of the material, using the volume porosity average by using the refractive index. The porosity estimated showed a result of 40.3% and 43-6%, the revolutions per minute (rpm) varied from 1000-2500. These films of TiO2-mp were used as a scaffold and electro transport layers for two types of solar cells: 1) sensitized solar cells with quantum dots. For this type of solar cells, heterojunctions of antimony sulfide-selenide (Sb2(SxSe1-x)3) were prepared in solid solution as the absorbing material and cadmium sulfide (CdS) as a sensitized layer deposited by the successive ionic layer adsorption and reaction (SILAR) technique and the (Sb2(SxSe1-x)3) with chemical bath deposition. It was shown by increasing the number of CdS layers the photovoltaic performance was improved by the reduction of the Sb2O3 and promoting a better nucleation with the (Sb2(SxSe1-x)3) at the chemical bath. The best photovoltaic performance was obtained with a solar cell with 30 cycles of CdS (CdS-30), a voltage of 434 mV, current density of 9.73 mA/cm2 and an efficiency of 1.69%. 2) Perovskite solar cells. Several solar cells were fabricated varying the hole transport material, for that reason it was used the Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) and the spiro-MeOTAD and a variation of the percentage of the PVP was used. For the solar cells with P3HT it was used a 20% of PVP and the variation of the rpm at the spin-coating process. With this was possible to correlate the thickness, the volume porosity (it will be reported) and the efficiency of the device. For solar cells prepared at 1500 and 2000 rpm, were obtained a 203 and 168 of thicknesses and efficiencies of 1.24% and 2.14% respectively. The best solar cell performance was at 1000 rpm and it showed a 308 nm of thickness as well a 41.6% of porosity. This one showed a current density of 17.15 mA/cm2, generating a 6.29% of efficiency. By changing the HTL for the spiro-MeOTAD, as well increasing the porosity of the material it was possible to obtained a device with a current density of 24.08%, a fill factor of 49.22 and an efficiency of 11.37%.