Dye-sensitized solar cells: Factors to improve its efficiency
Carlos Sotero Gaytan Rivera*
Antonia Martínez Luévanos**
Elsa N. Aguilera-González
Catalina M. Pérez Berumen
Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Coahuila.
Blvd. V. Carranza s/n Col. República Oriente C.P.25280. Saltillo, Coahuila, México.
*Correo electrónico: carlos_gaytan@uadec.edu.mx
**Correo electrónico: aml15902@uadec.edu.mx
CienciAcierta No. 60 octubre – diciembre 2019
Artículo PDF
Resumen
Uno de los grandes
retos a nivel mundial es la obtención de energía eléctrica de manera
sustentable. Actualmente, un gran porcentaje de la energía requerida es obtenida
por la quema de combustibles fósiles, lo cual provoca un efecto negativo en la
salud y medio ambiente, por lo que se ha buscado la generación de energía a
través de tecnologías alternativas amigables con el medio ambiente. Una de
estas tecnologías es el uso de celdas solares, que transforman la energía solar
en eléctrica. Un tipo de celdas solares son las sensibilizadas por colorantes
(DSSC), que se caracterizan por poseer un fotoánodo, formado por un óxido
metálico (semiconductor), sensibilizado con un colorante. La eficiencia de este
tipo de celdas depende altamente del fotoánodo. El objetivo de este trabajo es
realizar un análisis de la literatura reportada sobre las diferentes celdas
solares sensibilizadas con colorantes, con énfasis en el efecto del
semiconductor y del sensibilizador en la eficiencia de este tipo de celdas.
Palabras clave: Celda solar, Energía, Sensibilizador, DSSC, semiconductores.
Abstract
One of
the great challenges worldwide is obtaining electricity in a sustainable way.
Today, a large percentage of the energy required is obtained by burning fossil
fuels, which causes a negative effect on health and the environment, which is
why the generation of energy has been sought through alternative technologies
that are more friendly to the environment. One of these technologies is the use
of solar cells, which transform the energy from sunlight into electrical
energy. One type of solar cells are those sensitized by dyes (DSSC), which are
characterized by having a photoanode, consisting of a metal oxide
(semiconductor), sensitized with a dye. The efficiency of this type of cells is
highly dependent on the anode sensitized with the dye. Therefore, the objective
of this work is to perform an analysis of the reported literature on the
different solar cells sensitized with dyes, with emphasis on the effect of the semiconductor
and sensitizer on the efficiency.
Key words: Solar cell, Energy, Dye, DSSC, semiconductors.
- Introducción
El sol es una poderosa fuente de energía, tanto así que la energía recibida en la superficie de la tierra en una hora cubre la demanda energética de todo el año. El medio para aprovechar esta energía son las celdas solares, las cuales son dispositivos que pueden convertir la radiación solar en energía eléctrica por medio del efecto fotovoltaico. Existen diferentes tipos de celdas solares; las celdas inorgánicas como las basadas en Silicio amorfo (A-Si), Silicio cristalino, CdTe, Cu(In,Ga)Se2, entre otras, y las celdas orgánicas como las celdas solares sensibilizadas por colorantes (DSSC) (Kazici y col. 2018).
En 1991, O’Regan y Grätzel obtuvieron una celda solar basada en una película de TiO2 recubierta de una monocapa de colorante, dicho dispositivo logró un rendimiento de conversión de energía en el rango de 7.1 a 7.9%. De esta manera, se abrió la oportunidad de mejorar este tipo de celdas solares, las cuales tienen una película de colorante, destacadas por su bajo costo de producción y la alta conversión de la luz solar incidente a corriente eléctrica. (O’Regan y col. 1991).
Las DSSC se diferencian de las celdas convencionales de silicio por su estructura y mecanismo de trabajo. Su estructura consta de un sustrato de vidrio transparente con un óxido conductor, un electrodo semiconductor de óxido metálico, el cual esta sensibilizado por un colorante (fotoánodo), un contraelectrodo de catalizador y una solución de electrolito, el cual está ubicado entre los dos electrodos (Figura 1).
Los rendimientos de este tipo de celdas siguen siendo inferiores a los presentados por las celdas solares de silicio, por lo que se busca mejorar esta eficiencia modificando el sensibilizador utilizado en la celda, así como la capa de material semiconductor.
2. Sensibilizadores
2.1 Complejos de Rutenio (Ru).
Las DSSC como se mencionó, son celdas solares sensibilizadas con moléculas absorbentes de luz, comúnmente complejos de rutenio (Ru) las cuales han mostrado eficiencias de hasta un 12.3%. En la Figura 2 se muestran ejemplos de sensibilizadores comúnmente utilizados a base de Ru. (Jean y col. 2015)
Figura 2. Ejemplos de complejos de Ru utilizados como sensibilizadores en las DSSC.
Los sensibilizadores a base de rutenio son de los más utilizados, debido a que su estado excitado tiene un tiempo de vida más larga y su estado oxidado es químicamente estable. Los complejos de Ru-bipiridilo son muy estables y han sido estudiados para este tipo de sistemas debido al amplio rango de absorción de energía que presentan, el cual en ciertos compuestos va desde la región ultravioleta (UV) en 300 nm hasta la región del infrarrojo (IR) cercano en 800 nm. (K. Hara y col., 2009)
2.2 Porfirinas
Otros compuestos importantes para la generación de nuevos colorantes son las porfirinas, ya que son excelentes precursores para desarrollar sensibilizadores eficientes. Los derivados de las porfirinas juegan un rol muy importante en diferentes aspectos de la vida diaria; podemos encontrarlas como la base de la hemoglobina que está presente dentro de los glóbulos rojos de la sangre, la cual contiene un átomo de Fe dentro de su estructura y está involucrada dentro del proceso respiratorio. De igual forma, las porfirinas están presentes en la clorofila, con la diferencia de que el átomo central es Mg (Phillips y col. 2019, Queiroz y col. 2019)
Una de las estrategias para mejorar el desempeño en la capacidad de absorción de luz de las porfirinas en las DSSC se basa en la introducción de grupos donadores de electrones, así como en la adición de cadenas con enlaces conjugados. Una ventaja adicional que presenta el adicionar cadenas largas a la estructura, es el aumento de la solubilidad, lo que provoca una mejor purificación de los compuestos, en comparación con los colorantes de porfirina con cadenas más pequeñas (Aydin y col., 2013). Las posiciones disponibles para añadir cadenas en las porfirinas son 4 posiciones meso- y 8 posiciones β (Figura 3).
Figura 3. Estructura general de porfirina con las posiciones disponibles para añadir cadenas
En las DSSC, el sensibilizador suele ser depositado sobre óxidos inorgánicos (semiconductores) que facilitan la transferencia de electrones y que evitan la recombinación. Diferentes estudios indican que la manera en la que se une el sensibilizador a la superficie del semiconductor es por medio de grupos carboxilo presentes en su estructura, debido a que tienen interacciones con los grupos hidroxilo del semiconductor, permitiendo así una eficaz y rápida transferencia de electrones (Sehgal y col., 2019).
La selección del semiconductor a ser utilizado en la fabricación de una celda solar es de gran importancia, ya que la eficiencia de la celda depende altamente de las propiedades optoeléctricas y catalíticas de este.
Óxidos metálicos semiconductores
El óxido de titanio (TiO2) es uno de los materiales semiconductores más utilizados en las DSSC, esto debido a que posee características deseables como gran área superficial, baja toxicidad, alta estabilidad térmica y química, bajo costo y buenas propiedades optoeléctricas (Band gap≈3.2 eV). Existen diferentes métodos de síntesis reportados para la obtención de TiO2, como el método sol-gel, combustión y procesos hidrotermales, entre otros (Qu y col., 2010).
Otro tipo de semiconductores también ampliamente empleados en la fabricación de celdas solares es el óxido de cinc (ZnO), ya que cuenta con un valor de band gap de 3.37 eV, y presenta características similares al TiO2,como su baja toxicidad y la capacidad de poder anclarle diferentes grupos funcionales, entre ellos el grupo carboxilo (Mandal y col., 2010).
Tanto el TiO2 como el ZnO, son semiconductores tipo n, aunque también se ha estudiado la interacción que tiene el óxido de níquel (NiO) en las DSSC, el cual es un semiconductor tipo p. El NiO tiene buena estabilidad térmica y química, sin embargo, los resultados no han sido alentadores, encontrándose una eficiencia de conversión de entre el 0.02 y 0.1% (Wu y col. 2013).
El efecto entre el material semiconductor y el sensibilizador puede apreciarse más fácilmente en la tabla 1. Al emplearse complejos de rutenio, Aksoy y col. sintetizaron partículas de ZnO a través del método hidrotermal asistido por microondas, dichas partículas fueron utilizadas para la fabricación de DSSC variando el tiempo de sensibilización con N719, logrando obtener un 0.64% de eficiencia. Mehmood y col. emplearon películas delgadas de TiO2/Grafeno sensibilizadas con N719 y el colorante orgánico RK-1, logrando obtener un 9.45% de eficiencia en el mejor sistema. Wei y col. utilizaron un co-sensibilizador de piridina y N719, para aumentar la eficiencia desde un 5.31% cuando solo se usó el colorante hasta 6.92% utilizando ambos compuestos. Mali y col. sintetizaron TiO2 por un método hidrotermal para comparar la eficiencia de un tipo de nanoestructura similar a un coral, sensibilizado con N3 y Eosin-Y, obteniendo el mejor resultado de una eficiencia de 2.37% con el primer colorante. Naik y col. emplearon N3 con diferentes co-sensibilizadores basado en anilina, los cuales se variaron en sus concentraciones, llegando obtener un 7.02% de eficiencia. Young y Yuan combinaron el uso de Nanorods de ZnO recubiertos con TiO2, para hacer una sensibilización con N3 obteniendo un dispositivo con un 4.7% de eficiencia.
Sehgal y Narula utilizaron precursores de hierro,
cobalto, cobre, níquel y zinc para metalar a la porfirina (TCPP), los
colorantes obtenidos se usaron para sensibilizar al ZnO, obteniendo la mejor
eficiencia de 2.97% utilizando la ZnTCPP. Lu y col. también utilizaron
porfirinas metaladas con zinc sobre partículas de TiO2, obteniendo
un 6.04% de eficiencia para el compuesto LP-2. Prakash y col. obtuvieron un
3.13% de eficiencia en una celda sensibilizada con ZnT(Mes)P(CN-COOH), sin embargo, solo lograron
aumentar este valor hasta un 5.35% al combinar la sensibilización sobre partículas
de TiO2 con el colorante N3. Por su parte Kotteswaran y col., emplearon porfirinas con grupos donadores de
electrones, y se comparó frente a la eficiencia obtenida utilizando N719 para
sensibilizar partículas de TiO2, logrando obtener hasta un 3.2% de
eficiencia con el sensibilizador SKPor-1, frente a un valor de 3.4% obtenido con
el colorante N719, debido a que este colorante posee grupos dimetilaminofenil
en su estructura.
Tabla 1. Eficiencias de conversión de energía a partir de diferentes DSSC.
4. Conclusiones
En este trabajo se mostraron dos de los factores mas importantes dentro de las DSSC, los cuales afectan directamente a la eficiencia obtenida al armarse un sistema completo. Así mismo, se presentó un análisis sobre investigaciones realizadas con diferentes colorantes y materiales semiconductores, observándose una variación en los valores de las eficiencias en función del sensibilizador y del tipo de semiconductor empleado.
Las DSSC representan un paso más en la búsqueda de tecnologías alternativos para la generación de energía sustentable, por lo que se sigue investigando el cómo hacerlas más eficientes, por lo que no sería sorprendente esperar que en un plazo corto se siga mejorando esta eficiencia y se logre igualar su eficiencia con las celdas a base de silicio.
- Kazici, M., Bozar, S., Gürşen, A., Ongül, F., Karsli, A., Sariciftci, N. S., & Günes, S. (2018). 4.15 Solar Cells. En I. Dincer (Ed.), Comprehensive Energy Systems (pp. 637–658).
- O’Regan, B.; & Grätzel, M. (1991). A Low-Cost, High-Efficiency Solar Cell Based on Dye-Sensitized Colloidal tio2 Films. Nature, 353 (6346), 737–740.
- Karim, N. A., Mehmood, U., Zahid, H. F., & Asif, T. (2019). Nanostructured photoanode and counter electrode materials for efficient Dye-Sensitized Solar Cells (DSSCs). Solar Energy, 185, 165–188.
- Jean, J., Brown, P. R., Jaffe, R. L., Buonassisi, T., & Bulović, V. (2015). Pathways for solar photovoltaics. Energy & Environmental Science, 8(4), 1200–1219.
- Phillips, J. D. (2019). Heme biosynthesis and the porphyrias. Molecular Genetics and Metabolism.
- Queiroz Zepka, L., Jacob-Lopes, E., & Roca, M. (2019). Catabolism and bioactive properties of chlorophylls. Current Opinion in Food Science, 26, 94–100.
- Aydin, M. (2013). DFT and Raman spectroscopy of porphyrin derivatives: Tetraphenylporphine (TPP). Vibrational Spectroscopy, 68, 141–152.
- Sehgal, P., & Narula, A. K. (2019). Metal substituted metalloporphyrins as efficient photosensitizers for enhanced solar energy conversion. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 375, 91–99.
- Qu, Q., Geng, H., Peng, R., Cui, Q., Gu, X., Li, F., & Wang, M. (2010). Chemically binding carboxylic acids onto TiO2 nanoparticles with adjustable coverage by solvothermal strategy. Langmuir, 26(12), 9539–9546.
- Mandal, G., Bhattacharya, S., Chowdhury, J., & Ganguly, T. (2010). Mode of anchoring of ZnO nanoparticles to molecules having both –COOH and –NH functionalities. Journal of Molecular Structure, 964(1), 9–17.
- Wu, Q., Shen, Y., Li, L., Cao, M., Gu, F., & Wang, L. (2013). Morphology and properties of NiO electrodes for p-DSSCs based on hydrothermal method. Applied Surface Science, 276, 411–416.
- Aksoy, S., Gorgun, K., Caglar, Y., & Caglar, M. (2019). Effect of loading and standbye time of the organic dye N719 on the photovoltaic performance of ZnO based DSSC. Journal of Molecular Structure, 1189, 181–186.
