Desarrollo de celdas solares de tio2 sensibilizadas con colorante de rutenio n-719 y su escalamiento a módulos fotovoltaicos

SERGIO VELAZQUEZ MARTINEZ

RESUMEN Un módulo fotovoltaico está compuesto por un arreglo serie-paralelo de celdas solares, las cuales, por medio del efecto fotovoltaico, son capaces de convertir la luz solar en energía eléctrica. Durante este proyecto de tesis se trabajó en el desarrollo y fabricación de celdas solares sensibilizadas con colorante DSSC (Dye-Sensitized Solar Cells) para posteriormente implementar su escalamiento a módulos solares de área activa variada (1, 2, 8 y 28 cm2). Las celdas solares DSSC son una tecnología con costos de generación relativamente bajos gracias a la alta disponibilidad de materiales y a procesos de fabricación de baja complejidad. El dispositivo se compone, principalmente, de una película mesoporosa del semiconductor tipo n nanoestructurado de TiO2m sensibilizado a la luz visible por medio de una molécula de colorante N719, el cual, mediante la absorción de un fotón, promueve un electrón a su estado excitado y de allí lo transfiere a la banda de conducción del TiO2m. En este trabajo, para la estructura de la celda solar DSSC se empleó principalmente la configuración SnO2:F/TiO2c/TiO2m/N-719/I-/I3-/Pt/SnO2:F. Gran parte de este trabajo se concentró en la síntesis y caracterización de la capa mesoporosa de TiO2m por lo que a detalle se estudiaron los parámetros de síntesis por medio de un método combinado sol-gel/solvotermal a una temperatura de 200 °C. Con el propósito de optimizar la eficiencia de conversión en las celdas DSSC, fue necesario correlacionar los parámetros de desempeño de la celda solar (Voc, Isc, FF y η%) con los parámetros de síntesis del TiO2m, esto es, tanto con la concentración del HCl como la del H2O utilizados durante del proceso de hidrolisis del reactivo precursor isopropóxido de titanio. Al variar la concentración del HCl en la síntesis TiO2m por medio del proceso solvotermal, se obtuvo un polvo blanco de nanopartículas de TiO2m con morfología esférica cuyo diámetro de partícula varía de 2 a 7 micras. Con microscopia electrónica de alta resolución y difracción de rayos-X se encuentra que las esferas están compuestas de nanocristales de TiO2m con fase cristalina IICBA CIICAp VI anatasa cuyo diámetro de cristal varía de 8 a 13 nm. Por otro lado, la optimización en la concentración de H2O permitió un decremento del tamaño de cristal del TiO2m, y, en consecuencia, un incremento en el área superficial y en el valor de la banda prohibida del TiO2m. El incremento en el área superficial permitió aumentar el número de puntos de contacto entre el TiO2m y el colorante de la celda DSSC y esto se reflejó positivamente en el desempeño de la celda solar. El depósito de las películas de TiO2m se realizó por medio de la técnica de serigrafía (screen printing) con un subsecuente tratamiento térmico en aire a 530 °C. Aquí se estudió el efecto de espesor en función del número de depósitos. Posteriormente, se sensibilizó la capa mesoporosa de TiO2m con un colorante a base de complejos de rutenio (N-719) y se ensamblaron las celdas solares y módulos fotovoltaicos con cuatro y siete celdas solares DSSC conectadas en paralelo y dos conectadas en serie. Se unió el electrodo activo con el contraelectrodo, colocando un espaciador de polímero Surlyn® entre ellos, el cual sello mediante un tratamiento térmico a 215 °C. A través del análisis de su curva corriente-voltaje obtenidas a una irradiancia de 1000 W/m2 se determinaron la corriente de corto circuito (ISC), el voltaje de circuito abierto (VOC), el factor de llenado (FF) y la eficiencia de conversión (η%) tanto para las celdas DSSC como para los mini-módulos fotovoltaicos desarrollados. Para ambos sistemas, celdas y mini-módulos fotovoltaicos, se obtuvieron eficiencias de conversión η% cercanos al 5% y 0.5%, respectivamente.

ABSTRACT A photovoltaic module is composed of a series-parallel set of solar cells, which, by means of the photovoltaic effect, can convert sunlight into electrical energy. During this thesis project was work on the development and manufacture of solar cells sensitized with DSSC (Dye-Sensitized Solar Cells) dye to later implement its scaling to solar modules of varied active area (1, 2, 8 and 28 cm2). DSSC are a technology with relatively low generation costs due to the high availability of materials and low complexity manufacturing processes. The device is composed mainly of a mesoporous nano-structured layer of semiconductor N tipe of TiO2m, sensitized by means of a molecule of dye N719, which by means of the absorption of a photon, promotes an electron to its excited state and from there it is transferred to the conduction band of the TiO2m. In this work, for the structure of the DSSC, the SnO2 configuration was mainly used: F / TiO2c / TiO2m / N-719 / I- / I3- / Pt / SnO2: F. This work concentrated on the synthesis and characterization of the mesoporous TiO2m layer, so in detail the synthesis parameters were studied by means of a combined sol-gel / solvothermal method at a temperature of 200 °C. To optimize the conversion efficiency in the DSSC, it was necessary to correlate the performance parameters of the solar cell (Voc, Isc, FF and η%) with the synthesis parameters of the TiO2m, that is, the concentration of HCl as the H2O used during the hydrolysis process of the precursor reagent titanium isopropoxide. By varying the concentration of HCl in the TiO2m synthesis by means of the solvothermal process, a white powder of TiO2m nanoparticles with spherical morphology was obtained, by means of the FE-SEM analysis and X-ray diffraction it is found that the spheres are composed of nanocrystals of TiO2m with anatase crystalline phase whose crystal diameter varies from 8 to 13 nm. On the other hand, optimizing the H2O concentration enabled a decrease in the crystallite size of TiO2m and increases in the surface area and the energy gap of the forbidden band of TiO2m. The enlarged surface area IICBA CIICAp VIII enabled an increase in the number of contact points between TiO2m and the dye of a DSSC, resulting in a better solar cell performance. The deposition of the TiO2m films was carried out by means of the screen printing technique with a subsequent thermal treatment in air at 530 °C. Subsequently, the mesoporous layer of TiO2m was sensitized with a colorant based on ruthenium complexes (N-719) and assembled the solar cells and photovoltaic modules were in parallel or series connection the electrode was joined to the counter electrode, placing a Surlyn® polymer spacer between them, which seal by a heat treatment at 215 °C. Through the analysis of its current-voltage curve obtained at an irradiance of 1000 W / m2, the short circuit current (ISC), the open circuit voltage (VOC), the filling factor (FF) and the efficiency of conversion (η%) both for the DSSC and for the developed photovoltaic mini-modules. For both systems, cells and mini-photovoltaic modules, conversion efficiencies η% close to 5% and 0.5% were obtained, respectively.

Tipo de documento: Tesis de doctorado

Formato: Adobe PDF

Audiencia: Investigadores

Idioma: Español

Área de conocimiento: INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA

Campo disciplinar: CIENCIAS TECNOLÓGICAS

Nivel de acceso: Acceso Abierto