desarrollo y fabricación de módulos de celdas solares de tercera

Celdas solares de 1ª y 2ª generación
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•
•
Celdas de 1ª generación
Espesor ~1 mm
Homounión p-Si/n-Si
Celdas de GaAs en homounión y heterounión
• Celdas de 2ª generación:
CdTe, CIGS y a-Si, TF-Si.
Estructuras de Celdas Solares
Unión PIN de a- Si: H
Homounión Si
Antirreflexion
200 µm
Metal
n
+
Regilla
3 mm
0.7 µm
I
n
300 µm
+
+
p
Contacto
Metalico
Zn O
Zn O
n
+
Heterounion CdS-CdTe
Vidrio
Aislante
Cu In Se
p+
Vidrio
p
Heterounion ZnO-CuInSe2
n+
0.5 µm
CCT p
CCT
Cd S
Cd Te
n+
Molibdeno
p+
Metal
Eficiencia
16.9%
Area
0.33 cm2
Eficiencia
15.8%
Area
1.05 cm2
Eficiencias de conversión a nivel laboratorio[3]
[3] National Renewable Energy Laboratory Best Research-Cell efficiency (10-2012)
Celdas solares de tercera
generación
La fotosíntesis es el mecanismo mediante el cual la planta transforma la energía luminosa en
energía química liberando oxígeno en el proceso.
El prefijo síntesis se refiere a la elaboración de *glucosa* (azúcar) por parte de la planta
gracias a la energía obtenida de la luz.
La fotosíntesis se lleva a cabo en las partes verdes de la planta, principalmente en las hojas.
Las células que forman estas partes verdes en las hojas contienen organelos llamados
cloroplastos, los cuales gracias a la molécula de la clorofila captan la luz.
En los cloroplastos es capturado el dióxido de carbono del aire donde junto con la luz y el
agua servirá para realizar la fotosíntesis.
El proceso completo de la fotosíntesis puede ser expresado mediante la siguiente ecuación
química:
Energía luminosa
6(CO2) + 12(H2O) -----------------------> C6H12O6 + 6(O2) + 6(H2O) +ATP
Clorofila*
Alimentos: frutos, verduras
Corte de una hoja
La clorofila se ve verde ya que ella absorbe en los rangos del azul y rojo,
y el refleja en el rango del verde, que es la señal que llega a nuestros ojos.
.
Aprendizaje de la fotosíntesis en las plantas
Energía luminosa
6(CO2) + 12(H2O) -----------------------> C6H12O6 + 6(O2) + 6(H2O) +ATP
Clorofila*
•Trabajo con sistemas no ordenados (amorfos)
•La naturaleza no necesita equipos sofisticados de UHV
•La fotosíntesis se realiza en todo el mundo sobre la faz
de la tierra donde hay sol
Esto significa que si pudiéramos generar (conocimiento,
energía, alimento, etc.) con sistemas parecidos las hojas
de las plantas tendríamos muchas ventajas
En los años 1980-90
Ruptura con las formas convencionales
del diseño de celdas solares de
trabajar con sistemas mono y
policristalinos
Sistemas
sofisticados
en UHV
Sistemas mesoporosos
DSSC, QD´s, orgánicos
OPVs, híbridos, etc.
Celdas de Graetzel (1988)
COLORANTES
Celdas solares sensibilizadas con
colorantes
Arturo Maldonado, Gabriela Mata, Sergio
Velázquez, Mario A. Sánchez, Carlos A. Pineda,
Gerko Oskam, Luis Alberto González, José Luis Sosa,
Dalia Marín, Fernando Robles, J. Carlos Pereyra, y
Guillermo Pérez
DIAGRAMA DE LA CELDA SOLAR SENSIBILIZADA
17
ROCIÓ PIROLÍTICO ULTRASÓNICO UBICADO EN EL
CINVESTAV D.F CON EL DR. ARTURO MALDONADO
• el roció que se genera en la
primera cámara es llevado
por un gas de arrastre a
través del tubo de transporte
(N2) a la segunda zona una
temperatura de 450 ºC
SnO2:F; FTO, In2O3:Sn
Esquema de las partes que componen el proceso de roció pirolítico
18
Semiconductor tipo
n de TiO2
El proceso sol-gel es la transición
de un líquido (coloide) a un
sólido (gel) que incluirá en su
interior materiales de entidad
orgánica o inorgánica [Jolivet
2003].
•
•
•
•
Reactivos:
Isopropóxido de Titanio
Etanol anhidro
Agua desionizada
Acido clorhidrico
19
Síntesis de
Nanopartículas de
TiO2 por proceso
hidrotermal
Imágenes en microscopia de barrido de electrones por emisión de campo (FE-SEM) de las
películas porosas de TiO2 fabricadas por serigrafía
127 °C
182 °C
148 °C
200 °C (ref.)
167 °C
210 °C
Comparación de tamaño de partícula recién sinterizada y en película porosa (530 °C)
Temperatura de
síntesis (°C) del
proceso hidrotermal
127
Tamaño de partícula
inicial (nm) en polvo
9 (127 ºC)
Tamaño de partícula
en película porosa
(nm) tratada a 530 ºC
10.8
148
9.5 (148)
11
167
10 (167)
11.8
182
12 (182)
12.3
200
12 (200)
12.4
210
13.8 (210)
14.1
IMPRESIÓN SERIGRAFICA DEL SEMICONDUCTOR
MESOPOROSO DE TIO2 TIPO N
Con el propósito de elevar el área de contacto con el
colorante de rutenio por la técnica screen printing
(serigrafía) se coloca una capa porosa del
semiconductor de TiO2 tipo n sobre la capa compacta y
generar así la heterounión TiO2/SnO2:F.
Impresión serigráfica de
TiO2 mesoporoso
Proceso de adición de una película de TiO2 por serigrafía
23
COLORANTE DE RUTENIO
El tinte es el encargado de absorber
la luz solar y donar electrones a la
banda de conducción del TiO2, por
lo que mientras mayor sea su rango
y su coeficiente de absorción,
mayor será la eficiencia de la celda
solar.
El colorante debe tener una buena
adhesión a la superficie del
semiconductor. Por lo tanto, el
colorante debe poseer un grupo
anclaje (grupos carboxilicos COOH)
para formar un enlace químico con
el TiO2.
24
Circuito equivalente de una celda solar
  qV  
I   I L  I D   I L  I 0 exp 
  1
  K BT  
VOC 

K BT  I L
ln   1
q
 I0

Fabricación de celdas solares DSSC
2
0
-2
-6
-2
J [mA cm ]
-4
-8
-10
-12
% n = 7,035792
% n = 6,944068
-14
-16
-18
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Voltaje [V]
(VOC= 0.7 V;
JSC= 17.6 mAcm-2;
FF= 0.587;
η%= 7.035%).
Celdas solares de TiO2
sensibilizadas con QDs
CEMIE-SOL, P27
Investigadores
Tzarara López Luke
Ramón Carriles
Elder De la Rosa
Estudiantes
Isaac Zarazua (posdoct)
Alejandro Martínez (posdoct)
Jorge Oliva (posdoc)
Diego Esparza (doct)
Andrea Cerdan (doct)
Ana Sánchez (maes)
QDs synthesis
Colloidal chemistry
The quantum Confinement effect
QDs GNAFOMA Lab
QDs sensitized TiO2
Electrophoresis
SILAR
Impregnation
Chemical bath
Cell assemble
Polysulfide Electrolyte
1M Na2S:9H2O, 1M S,
0.1M NaOH
QDs sensitized TiO2
Electrophoresis
SILAR
Impregnation
Chemical bath
Jsc(mA/cm2) Voc(V)
FF(%)
h(%)
S+P
E+S
12
13.4
.627
0.598
53.4
49
4.04
3.89
E+S+P
13.6
0.592
55.5
4.50
Celdas Orgánicas Fotovoltaicas
Dr. José Luis Maldonado
Celdas OPV´s
Celdas solares orgánicas (OPVs) de heterounión de volumen
En estas celdas se utilizan polímeros orgánicos conductores como red
de donantes y/o moléculas orgánicas como aceptor distribuido en
una mezcla bicontinua de gran área interfacial para el transporte de
las cargas generadas durante la absorción de la luz.
En una arquitectura típica de heterounión de volumen, Fig. 1, se
intercala la capa de la mezcla fotoactiva entre un ánodo de óxido de
indio-estaño y un cátodo metálico, mientras que la conversión de
iluminación solar en fotocorriente se da en una secuencia de cuatro
pasos:
1)
2)
3)
4)
La absorción de la luz conduce a la creación excitón,
El excitón se difunde a la molécula aceptora,
El excitón se disocia en cargas libres y
Las cargas son extraídas en los electrodos
“Desarrollo y fabricación de módulos de celdas solares de TiO2 sensibilizadas con
colorante (DSC) y puntos cuánticos (QDs), y de orgánicas fotovoltaicas (OPVs)”
Coordinador: Antonio Jiménez González (IER-UNAM)
Participantes Cinvestav-Mérida:
Dr. Gerko Oskam
Dr. Geonel Rodríguez Gattorno: Síntesis nanomateriales & reología pastas
Dr. Oscar Arés Muzio: Celdas solares & escalamiento
M.C. Beatriz Heredia – Técnico de investigación
M.C. Rodrigo García Rodríguez – Estudiante de Doctorado: Métodos de caracterización
M.C. Esdras Canto Aguilar
– Estudiante de Doctorado: Celdas basadas en ZnO
M.C. Renán Escalante Quijano
– Estudiante de Doctorado: Escalamiento hasta 20 cm2
(primera Etapa: I.F. Renán Escalante Quijano
– Estudiante de Maestría)
Objetivos Grupo Cinvestav-Mérida:
• Fabricación de celdas solares de 0.5 cm2 con eficiencia de >7%
• Desarrollo de un sub-módulo solar de 20 cm2 con eficiencia de > 4% (área activa)
• Innovación en la tecnología de la celda solar sensibilizada por colorante.
40
Sub-módulos: 6 x 8 cm2
paralelo
Celdas individuales
rayado mecánico
Agradecimientos
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•
•
•
Sergio Velázquez Martínez
Mario A. Sánchez García
Carlos A. Pineda Arellano
L. Alberto González Sotelo
Gabriela Gutiérrez Mata
Dalia Marín
Rogelio Morán
Luis & Roberto
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•
•
Dr. Marc Anderson
Dr. Gerko Oskam
Dr. Arturo Maldonado
Dr. José Luis sosa
Dr. Guillermo Pérez
PAPIIT – UNAM
Proyecto Estratégico
CEMIE-Sol/27 del Fondo de
Sustentabilidad Energética
SENER-CONACYT
Dr. Elder de la Rosa
Dr. José Luis Maldonado
Dra. Hailin Zhao Hu
Por su atención
Mil Gracias
[email protected]
Organización de actividades e integración de tareas
IER Dr. ANTONIO JIMENEZ
TiO2-c (sol-gel): Dalia Marín
TiO2-m (serigrafía): Sergio, Carlos
TiO2-m (serigrafía): Gaby, Luis,
Dalia
Electrolito: Mario, Sergio, Dr.
Gerko
Colorantes: Mario y Dr. Gerko
Contraelectrodo: Mario y Sergio
Ensamblaje de la DSSC: todos
Caracterización:
Ma.
Luisa,
Rogelio, Oscar y José
Colaboración: Dr.
CINVESTAV Mérida
Gerko
FTO
CINVESTAV D.F Drs.
Arturo Maldonado,
María de la Luz
Olvera, Rajesh
Biswal
Dr. José Luis Sosa + Estudiante
de maestría
Perovskitas
CINVESTAV Mérida Dr. Gerko
BUAP Dr. José Luis sosa +
Estud. + Sergio y Dalia
Escalamiento a módulos FV
Dres. Arturo Maldonado, Dr.
Antonio Jiménez, Dr. Gerko,
Ings. Electrocamecánica,
eléctrica, Física,
O.
Colorantes
CINVESTAV Mérida,
Dr. José Luis sosa, BUAP
Instituto de Biología -UNAM
Electrolito
CINVESTAV Mérida Dr. Gerko +
Grupo de Invest.
Financiamiento:
Proyecto CEMIE-Sol del
Fondo SENER-CONACYT
2013-2017
Modelado de celdas
solares y módulos FV
Dr. Guillermo Pérez
Balance de la fotosíntesis.
• En la fase luminosa se produce el ATP y el NADPH necesarios para, en la
fase oscura, reducir el CO2 a materia organica. Si, por ejemplo, se
considera la sintesis de una molecula de glucosa (C6H12O6), se observa
que son necesarios
6 CO2 y 12 H20. Esta agua libera sus 6 O2 a la atmosfera, durante la fase
luminosa, y aporta los 12 hidrógenos de la glucosa y los 12 hidrógenos
necesarios para pasar los 6 O2 sobrantes del CO2 a H2O. Como
intervienen 24 hidrógenos, aparecen 24 H+ y 24 e-, y como cada electron
precisa el impacto de dos fotones, uno en el PSI y otro en el PSII, se
necesitan 48 fotones (hv).
• En el ciclo de Calvin se precisan, por cada CO2 incorporado, 2 NADPH y 3
ATP; asi pues, para una glucosa son necesarios 12 NADPH y 18 ATP.
se inicia agregando 21 mL de Ti-isopropóxido a 4 mL
de ácido acético en agitación. Esta solución se agrega
por pipeteo lento a 145 mL de agua en agitación en un
matraz balón colocado en una mantilla de
calentamiento, luego se mantendrá en agitación
vigorosa durante una hora. A la mezcla obtenida se le
agrega 1.4 mL de ácido nítrico para el peptizado que
se realiza a 80°C por 75 minutos. Al final obtenemos
150 mL en esta síntesis, de donde se separan 5 tandas
de 30 mL cada una y se introducen en una bomba de
digestión para ser sometidas a 200°C por 12 horas.