Desarrollo de estructuras nanoparticuladas dopadas de semiconductores de banda ancha para aplicaciones fotovoltaicas y fotocatalíticas

Abstract

Los procesos fotocatalíticos y las alternativas menos costosas de células fotovoltaicas han despertado un gran interés tanto desde el punto de vista del conocimiento de los procesos que tienen lugar en él, como por su gran número de aplicaciones, como water splitting, fotodegradación de colorantes o contaminantes orgánicos en medio acuso, las DSSCs, las células solares de perovskitas. En este tipo de aplicaciones es habitual emplear un semiconductor que actúe bien como fotocatalizador o como fotoelectrodo en células fotovoltaicas, siendo la principal opción los semiconductores de banda ancha, como TiO2 y ZnO. Estos materiales son conocidos como semiconductores de banda ancha por su elevada energía del band gap, lo que le confiere una alta estabilidad química, pero en su contra, apenas absorben radiación visible. El TiO2 es uno de los semiconductores más habituales en este tipo de aplicaciones debido a su bajo coste, gran estabilidad, no toxicidad y su gran poder oxidante. En la literatura se ha reportado que la eficiencia del TiO2 en este tipo de aplicaciones depende de distintos factores como son la estructura, área de superficie específica, cristalinidad, energía del band gap y movilidad electrónica en su estructura. Todos estos factores pueden ser modificados introduciendo dopantes en la estructura del semiconductor. Por ejemplo, es posible conseguir una disminución de la energía de banda prohibida que solvente el problema de la baja absorción de luz visible. Así, el dopado del TiO2, es una de las líneas de trabajo posibles para la mejora de sus propiedades semiconductoras. Así, el dopado o co-dopado, puede realizarse con metales y no metales; que son introducidos en la red cristalina de forma sustitucional, intersticial o superficial. Uno de los principales hándicap que encontramos en los estudios realizados hasta la fecha, es la imposibilidad de realizar una comparación directa y real entre los diferentes dopados realizados, debido a los métodos de dopado empleados influyen en la situación y en la forma química en la que los dopantes se introducen en la estructura, y su disposición final condiciona propiedades del semiconductor como la cristalinidad, las fases cristalinas y la energía del band gap, entre otras. De esta forma, esta tesis doctoral se basa en el estudio sistemático del dopado de TiO2 desde una perspectiva experimental y desde otra teórica. Desde un punto de vista experimental, se ha desarrollado dos tipos de dopado: (a) uno interno sustitucional, es decir cationes de metales de transición sustituyen a Ti4+ en su posición en la red, y (b) un dopado superficial, en donde nanopartículas de óxidos de elementos metálicos son depositadas sobre la superficie de las nanopartículas de TiO2. Para cada uno de estos dopados se han empleado tres dopantes, Cu, Al y Tm. Estos han sido elegidos debido a sus propiedades electrónicas sensiblemente diferentes entre sí. Es de esperar que, en función de los orbitales que entran en juego en las interacciones dentro de la estructura cristalina, las propiedades tanto estructurales como electrónicas y ópticas varíen. Por tanto, debido a que la naturaleza electrónica de los elementos elegidos es muy diferente entre sí, las interacciones dentro del cristal también lo serán, y por tanto, los resultados a obtener. La sinergia entre los resultados experimentales y teóricos permitirá establecer comparaciones entre los dopantes seleccionados con el objeto de generar conclusiones globales sobre el dopado del TiO2. Por otra parte, los semiconductores preparados, basados en TiO2 dopado, han sido probados en dos aplicaciones diferentes: en DSSCs y en la fotodegradación de azul de metileno, para comprobar si los materiales diseñados pueden ser de interés en aplicaciones fotovoltaicas y fotocatalíticas. Así, los objetivos principales del trabajo de investigación consiste en: (a) evaluar el efecto de los dos tipos de dopados, interno sustitucional y superficial, sobre las propiedades estructurales, ópticas y electrónicas del TiO2, (b) evaluar el efecto de los distintos dopantes seleccionados sobre las propiedades del TiO2, y comparar los efectos producidos en función de la naturaleza del dopante, (c) correlacionar los resultados experimentales obtenidos con las simulaciones teóricas realizadas para conseguir comprender el efecto del dopante dentro de la estructura cristalina del TiO2, y ahondar en las razones de los cambios en las propiedades fisicoquímicas del TiO2 dopado, (d) estudio del uso de los semiconductores sintetizados en aplicaciones tanto fotovoltaicas como fotocatalíticas para poder conocer la potencialidad del material en este tipo de aplicaciones.