Nanostructured optical materials for dye solar cells

Resumen

Desde que en el año 1991 M. Grätzel y sus colaboradores desarrollaron sus primeros trabajos sobre celdas solares de colorante (DSC, del inglés Dye Solar Cell), estos dispositivos fotovoltaicos han despertado gran interés. Esto es debido a la oportunidad que ofrecen dichos dispositivos de generar energía limpia y renovable a partir de materiales y técnicas de fabricación simples y de bajo coste. En los últimos años se han hecho numerosos esfuerzos encaminados a aumentar la eficiencia de estos dispositivos fotovoltaicos. Esta eficiencia está íntimamente relacionada con la cantidad de fotones que es capaz de absorber las moléculas de colorante presentes en estas celdas. Por lo tanto un camino para tratar de aumentarla consistirá en el uso de distintos elementos ópticos que aumenten el tiempo de residencia de los fotones en la capa activa y de este modo aumentar su probabilidad de absorción. En el capítulo 1 de esta tesis se hace una visión general de alguna de estas propuestas. Dentro de estas estrategias destaca el uso de una capa de partículas de TiO2 de gran tamaño, la cual dispersa la luz en todas las direcciones aumentando su recorrido dentro del electrodo. Este diseño de la DSC ha ayudado a conseguir los valores records de eficiencia de este tipo de celda que se encuentra en torno al 12%. Sin embargo, el uso de esta capa difusora vuelve a la celda opaca y hace inviable su empleo como módulo de ventana fotovoltaico, una de las aplicaciones más prometedoras de este tipo de celda. Basándose en esta idea de confinamiento de luz en la capa activa de la celda, se desarrollaron diversas alternativas a través del empleo de distintas estructuras ópticas que previamente habían dado buenos resultados al usarse en celdas de silicio. Entre ellas cabe destacar el empleo de cristales fotónicos unidimensionales (1DPC, del inglés One Dimensional Photonic Crystal) como espejos traseros reflejando la luz en un rango espectral determinado. Los cuales a su vez son capaces de mantener la transparencia de la celda. Sin embargo, a pesar de los buenos resultados conseguidos con estos 1DPC, el hecho de que el aumento de fotocorriente obtenido al acoplar estos 1DPCs era menor al esperado teóricamente, unido a la reducción del fotovoltaje indicaban que podría haber problemas de difusión del electrolito a través la red porosa de estas estructuras. En este contexto surge este trabajo de investigación. El primer paso para optimizar el diseño de celda que comprende el uso de 1DPC, es la mejora de la difusión de especies a través del sistema óptico. Para ello se presenta un método para aumenta tanto la porosidad como la distribución de tamaño de poro de las capas de nanopartículas que forman el cristal fotónico, mediante el empleo de un porógeno polimérico. Este sistema se presenta en el capítulo 2. En el capítulo 3 se presenta un 1DPC capaz de reflejar el rango espectral al cual el colorante es capaz de absorber los fotones. En este caso, los resultados obtenidos se comparan con una lámina difusora, la cual como hemos visto es la mejor opción para obtener una eficiencia de conversión de fotones a electrones alta. El hecho de que acoplando a la DSC un 1DPC no se pierda la transparencia del dispositivo, hace que este diseño sea apto para su uso como modulo de ventana fotovoltaico. Por ello en el capítulo 4 se lleva a cabo un completo análisis del comportamiento de estas celdas frente al ángulo de iluminación, factor importante a la hora de futuras aplicaciones. Por último, en el capítulo 5 se propone una nueva estrategia para confinar la luz en el electrodo de la DSC consistente en el uso de redes de difracción. Este sistema presenta la ventaja de además de ser transparente mejora el rendimiento fotovoltaico de la celda independientemente de la dirección de iluminación de la luz, efecto que no se ha observado antes con ningún elemento óptico acoplado a la celda. [1] B. O¿Regan, M. Grätzel, Nature, 1991, 353, 737. 3 [2] S. Colodrero, M. Ocaña, H. Miguez, Langmuir 2008, 24, 4430. [3] S. Colodrero, A. Mihi, L. Häggman, M. Ocaña, G. Boschloo, A. Hagfeldt, H. Míguez, Adv. Mater., 2009, 21, 764.