PROPUESTA DE PROYECTO DE FIN DE CARRERA

PROPUESTA DE PROYECTO DE FIN DE
CARRERA
Título: “Fabricación y caracterización de células
fotoelectroquímicas construidas con colorantes naturales”
solares
Resumen: Aprender a extraer colorantes naturales (clorofilas, pigmentos) de
especies vegetales del campus de la UPO y utilizarlos para fabricar células solares. Las
células solares se caracterizarán iluminándolas con una lámpara que simula el espectro
del sol y se obtendrán los siguientes parámetros: fotovoltaje, fotocorriente, curva
intensidad-voltaje, respuesta espectral y decamientos de voltaje con el tiempo. Las
medidas permitirán extraer conclusiones acerca del funcionamiento de la célula a nivel
molecular.
Profesor de Contacto: Juan Antonio Anta
Introducción
El trabajo a realizar está relacionado con la búsqueda de fuentes de energía alternativas,
como es en este caso la energía solar de origen fotovoltaico. Las células solares
comerciales que todos conocemos (relojes, calculadoras, paneles en los tejados de
viviendas, naves espaciales, etc...) están basadas en el uso del silicio como material
fotoconversor. Aunque este tipo de células llegan a alcanzar rendimientos
espectaculares (incluso del 20%, lo cual quiere decir que una quinta parte de la energía
que llega en forma de luz se transforma en energía eléctrica) el problema que plantean
es su precio, debido principalmente a la dificultad de obtener silicio con las
características requeridas (el silicio no es un elemento que se encuentre en estado nativo
en la naturaleza, por lo que es necesario energía para su obtención. Además una célula
solar que sea eficiente requiere silicio monocristalino o policristalino, el cual es siempre
complicado de preparar. Alternativas como el silicio amorfo proporcionan una
alternativa más barata pero su rendimiento baja bastante frente a los materiales
cristalinos). Es por este motivo por lo que siempre ha existido una investigación muy
activa en el terreno de la energía solar orientada a la búsqueda de otro tipo de materiales
que también sean capaces de producir energía eléctrica a partir de energía solar. Una de
estas alternativas son las llamadas “células solares sensibilizadas con colorante” (Dye
Sensitised solar cells, o DSSC’s en inglés) también conocidas como células solares
fotoelectroquímicas por ser la base de su funcionamiento una reacción química iniciada
por la luz [M. Graetzel, Nature¸ 414, 338 (2001)]. Estos dispositivos, descubiertos a
principios de los 90 (B. O’Regan y M. Graetzel, Nature¸ 353, 737 (1991)] han sido
desde su principio centro de atención de muchos investigadores e ingenieros por ser el
material principal en su elaboración un óxido metálico, principalmente el dióxido de
titanio, cuyo precio y dificultad de preparación es muy inferior a la del silicio. La gran
idea de los investigadores que propusieron esta alternativa fue utilizar un colorante para
“sensibilizar” el óxido, esto es, una substancia que absorba en la zona visible del
espectro (donde se encuentra el máximo de intensidad del espectro solar) y que inyecte
electrones en el óxido, generando con ello una corriente eléctrica. Mediante la
utilización de colorantes “de diseño” se han llegado a obtener rendimientos de hasta el
11%. Sin embargo, el funcionamiento de este tipo de células permite el uso en principio
de cualquier colorante (que cumpla una serie de requerimientos) y en este sentido, una
alternativa interesante es la utilización de colorantes vegetales. En el Área de Química
Física ya hemos identificado una serie de colorantes vegetales extraídos de plantas que
se pueden encontrar en el campus de la universidad así como en otras zonas como las
regiones tropicales de México. Resulta muy interesante explorar la respuesta de estos
colorantes, sobre todo en lo que se refiere a su estabilidad en el tiempo.
Plan de trabajo
Se propone un trabajo a desarrollar en las siguientes fases (entendidas en un orden
cronológico):
1. Aprender a fabricar las células, esto es, preparación de la pasta de dióxido de
titanio y deposición sobre los electrodos de vidrio conductor. Sinterización en el
horno. Adsorción del colorante sobre la película de óxido (esto es, “teñir” los
electrodos). Aplicación del electrolito y montaje de la célula. En esta primera
fase se utilizará el extracto vegetal sin purificar.
2. Aprender a caracterizar las células, esto es, medir la fotocorriente y el
fotovoltaje. Ello se realizará tanto en condiciones “de laboratorio” por
iluminación con una lámpara de xenon con filtro de infrarrojo y de ultravioleta
(lo cual proporciona una luz similar a la del sol a nivel del mar, tanto en
intensidad como en distribución espectral) como en iluminación directa bajo la
luz del sol. Obtención de la fotocorriente, el fotovoltaje y la curva intensidadvoltaje mediante un sistema automático de adquisición de datos. A esta fase
sería conveniente llegar antes de Navidad.
3. Medición de la respuesta espectral de las células y de los parámetros de
recombinación (curvas de voltaje frente al tiempo). Identificación de los
colorantes y composición completa de la célula en la que la recombinación está
más desactivada. Finales de Marzo.
4. Empleo de distintas composiciones de la fase de la líquida de las células y su
interacción con el colorante. Finales de Abril.
5. Empleo de disolución de electrolito con presencia de colorante purificado.
Comprobación de la eficacia y estabilidad de la célula. Finales de Mayo.
6. Escritura y entrega de un borrador de proyecto. A lo largo del mes de Mayo
aunque se sigan obteniendo resultados en el laboratorio.