11.23_Piña Villeda - Universidad Autónoma de Querétaro

CONSTRUCCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE CELDAS SOLARES
SENSIBILIZADAS ELECTROFORÉTICAMENTE CON UN COMPLEJO DE
TERPIRIDINA-RUTENIO(II)
Piña Villeda F.G., a López García U.M.,b Godínez, L.A.,b Manríquez J.b*
a
Facultad de Química, Universidad Autónoma de Querétaro, Centro Universitario s/n,
Cerro de las Campanas, 76017, Querétaro.; bCentro de Investigación y Desarrollo
Tecnológico en Electroquímica S.C., Parque Tecnológico Querétaro S/N, Sanfandila,
Pedro Escobedo, 76703, Querétaro. E-mail: [email protected]
RESUMEN
Se elaboró una celda solar sensibilizada con un complejo de terpiridina-Ru(II)
depositado electroforéticamente sobre electrodos nanocristalinos de TiO2. Con la
finalidad de obtener un recubrimiento máximo de los substratos semiconductores,
fueron determinados tanto campo eléctrico como tiempo de depósito óptimo.
INTRODUCCIÓN
Las celdas solares sensibilizadas (DSSC) están construidas con un electrodo de vidrio
conductor transparente cubierto por una película nanocristalina de TiO2 (nc-TiO2),
moléculas de tinte o sensibilizador (S) inmovilizadas en la superficie del nc-TiO2, un
electrolito que contiene un par redox como el I-|I3- y un catalizador (típicamente PtOx)
confinado al contra-electrodo. Bajo iluminación con luz visible, la celda produce
potencia eléctrica a través de un circuito conductor externo.
Las DSSC exhiben ciclos de trabajo regenerativo (Figura 1). Cada fotón que llega al
dispositivo es absorbido por una molécula de tinte previamente confinada a la superficie
semiconductora de forma que un electrón del estado basal molecular S es promovido al
estado molecular excitado S* (1).El electrón excitado es inyectado a la banda de
conducción de las partículas de TiO2 dejando a la molécula de tinte en su estado oxidado
S+ (2).El electrón inyectado percola a través de la estructura nanoestructurada del
semiconductor para alcanzar la superficie del electro ópticamente transparente
(fotoánodo) y finalmente pasar por la resistencia existente en el circuito externo hasta
llegar al contra-electrodo (cátodo) (3). Una vez allí, el electrón es transferido al ion I3del electrolito para producir ion I- (4), y el ciclo es cerrado por reducción del estado
oxidado del tinte gracias a la acción del ion ioduro presente en el electrolito (5).
Particularmente, en el grupo de investigación donde se realizó este trabajo de Verano de
Investigación, se han utilizado diferentes complejos sensibilizadores de tipo terpiridinaRu(II) para la elaboración de DSSC (Manríquez, 2007).
En este trabajo se construyó una DSSC empleando un nuevo complejo de terpiridinaRu(II) (Figura 2), sintetizado por el grupo de investigación del Dr. George R. Newkome
en el Departamento de Ciencia de Polímeros de la Universidad de Akron y
amablemente proporcionado para esta investigación. Dicho complejo fue depositado
electroforéticamente sobre electrodos nanocristalinos de TiO2, de modo que fueron
determinados voltaje y tiempo de depósito óptimos.
Figura 1. Principio de trabajo de una celda solar sensibilizada con tintes (DSSC) donde b.c. y
b.v. indican las bandas de conducción y valencia para el electrodo de TiO2.
2PF6COOH
HOOC
N
N
N
I
N
HOOC
N
Ru(II)
I
N
COOH
Figura 2. Estructura molecular del complejo de terpiridina-Ru(II) empleado como
sensibilizador.
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
Películas porosas de TiO2 nanoestructurado (nc-TiO2) fueron preparadas por vía
electroforética como sigue (Manríquez y col. 2008, Wahl y col. 1998). Un campo
eléctrico de 2V/cm fue aplicado entre una placa de acero inoxidable (ánodo) y un
electrodo ópticamente transparente ITO (cátodo, película de indium tin oxide depositada
sobre una placa de vidrio), sumergidos en 25 mL de una suspensión coloidal (1.25 g de
TiO2 P25 Degussa en 2-propanol al 5 % v/v, J.T. Baker 99.97 %, en agua deionizada,
previamente sonicada por 15 min) durante 40s a 25°C. Las películas frescas así
obtenidas fueron extraídas de la celda electroforética y sinterizadas a 450ºC por 30 min.
La sensibilización de los nc-TiO2 se llevó a cabo como sigue. Primero se optimizó el
campo eléctrico a emplear para depósito electroforético del tinte. Para lograrlo, se
aplicaron 0.21, 0.35, 0.52, 0.69, 0.84, 0.86, 1.03, 1.20, 1.52, 2.2 y 2.88V a 25°C entre
un electrodo ITO (ánodo) y un electrodo nc-TiO2 (cátodo), sumergidos una solución
0.21mM del complejo de terpiridina-Ru(II) en DMF durante 30s a 298 K. La distancia
entre electrodos fue de 3.26 cm. Espectros UV-Vis de reflectancia difusa (Figura 3A) en
unidades Kubelka Punk (k/s), demostraron que un voltaje de 0.69 V era adecuado en
virtud de que voltajes vuelven químicamente reactivo el complejo (Figura 3). Para
encontrar el tiempo de depósito más adecuado del tinte, se aplicó una diferencia de
voltaje de 0.69V durante 30, 60, 90, 120, 150, 180, 210, 240, 270 y 300 s a 25°C.
Espectros UV-Vis en modo de transmisión (Figura 3B) demostraron que los
recubrimientos más intensos se lograron a 90s.
A
B
Figura 3. (A) Espectros UV-Vis de nc-TiO2 sensibilizados electroforéticamente con el
complejo de terpiridina-Ru(II) a diferentes voltajes por 30seg. (B) Espectros UV-Vis de nc-TiO2
sensibilizados electroforéticamente con el complejo de terpiridina-Ru(II) a diferentes tiempos de
depósito.
El ensamblado de la fotocelda se efectuó presionando un electrodo nc-TiO2
sensibilizado electroforéticamente con el tinte a 0.69V por 90seg, contra un ITO
recubierto por una película delgada de PtOx en una disposición de tipo sándwich (Figura
4), donde un empaque plástico con grosor 160m y un área de trabajo de 0.28 cm2 se
colocó entre ambos electrodos con la finalidad de evitar el corto circuito prematuro del
dispositivo. El interior de la celda fue llenado con una disolución electrolítica
compuesta de LiI 0.3 M + I2 0.015 M ambos en carbonato de propileno.
Figura 4. Esquema de una DSSC. La separación de carga se ejemplifica con la fotogeneración
de un par electrón (e-)–hueco(+) en el electrodo nc-TiO2.
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
La medición de la eficiencia de la celda (Tabla 1) fue determinada mediante curvas de
descarga (j-E) bajo luz solar simulada (9.2mW/cm2, lámpara MR16 50W-12V marca
GE, 25°C, luz visible 400-800nm) y real (irradiancia 100mW/cm2 medido con un
solarímetro Daystar-meter marca Daystar, 38°C, de las cuales el 9.02mW/cm2
corresponde a luz visible 400-800nm), empleando una resistencia variable de 52kΩ,
conectado a un voltímetro de alta impedancia y a un amperímetro ambos digitales.
Mientras que en la Figura 5 pueden apreciarse las curvas de descarga de la DSSC
estudiada bajo luz solar simulada (Figura 5A) y real (Figura 5B), la eficiencia global de
fotoconversión () fueron calculadas a partir de éstas mediante la ecuación


P
 (%)   max 100 , donde Pmáx es la potencia máxima obtenida en la celda, P0 la
 0.82 P0 
potencia de la fuente de iluminación y 0.82 corresponde a la transmitancia del vidrio
conductor a la iluminación de luz visible.
Los resultados indican que se obtiene una eficiencia mayor en pruebas de campo debido
a que la potencia de la fuente es mayor que la simulada. Asimismo, la DSSC construida
muestra un nivel competitivo de fotoconversión en virtud de que las mejores celdas de
su tipo muestran eficiencias del 11-13%.
2500
A
2000
fotocorriente ( A cm-2)
fotocorriente (uA cm-2)
2500
1500
1000
500
0
0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-0.6
B
2000
1500
1000
500
0
0
voltaje (V)
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-0.6
voltaje (V)
Figura 5. Curvas de descarga (j-E) obtenidas bajo luz solar simulada (A) y real (B).
Tabla 1. Información de desempeño fotovoltaico para las DSSC estudiadas donde EOC es el
voltaje a circuito abierto.
Tipo de iluminación
Simulada
Campo
EOC (V)
-0.52
-0.56
Pmax (mW/cm2)
0.28
0.51
P0 (mW/cm2)
9.2
11.0
(%)
3.74
5.75
CONCLUSIONES
La utilización del complejo de terpiridina-Ru(II) en la construcción de DSSC fue
llevado a cabo, constituyendo un resultado novedosa ya que dicho compuesto no está
disponible comercialmente. Por otro lado, los resultados favorables de prueba en campo
ofrecen una visión optimista de aplicabilidad real de los dispositivos construidos.
REFERENCIAS
Manríquez Rocha, J. “Diseño y construcción de dispositivos fotocapacitivos y
fotovoltaicos con base en materiales dendríticos y metalomacrocomplejos de
Terpiridina-Ru(II)”. Tesis de Doctorado en Electroquímica, CIDETEQ, México, 2007.
Manríquez, J. y Godínez, L.A., “Tuning the structural, electrical and optical properties
of Ti(III)-doped nanocrystalline TiO2 films by electrophoretic deposition time”, Thin
Solid Films, 515, 3402-3413, 2006.
Wahl, A. y Augustynski, J., “Charge carrier transport in nanostructured anatase TiO2
films by the self-doping of nanoparticles ”J. Phys. Chem. B, 102, 7820-7828, 1998.
Agradecimientos
F.G.P.V. agradece al Verano de la Región Centro, a la UAQ y al CIDETEQ por los
apoyos económicos y de infraestructura otorgados para que se llevara a cabo su estancia
de iniciación a la investigación.