Porous one dimensional photonic crystals for enhanced photovoltaic performance of dye solar cells.

Résumé

In the context of photovoltaics, dye solar cells (DSCs) constitute an interesting choice to solid state semiconductor devices since they are expected to meet not only relatively high efficiency values but also non conventional functionalities that could promote their valuable characteristics, namely their low production costs and transparency. The optimization of their conversion efficiency is therefore a key issue that will depend, in a first approximation, on how efficient dye molecules adsorbed on the surface of a wide band gap semiconductor collect incident radiation. Some of the light trapping strategies commonly employed within the DSC field are reviewed along Chapter 1. In that regard, the present research work proposes for the first time the use of one dimensional photonic crystal (1DPC) structures as a viable pathway to effectively enhance the photovoltaic performance of the device. In the last years, the synergy between optics and photovoltaics has pushed the potential of these versatile optical thin films, a new concept being developed. For this reason, the first practical realization of this approach has encountered a high impact in such fields and is presented in detail in Chapter 3 and Chapter 4. This approximation also looks forward to fulfil, to a large extent, the requirements needed for the application of semi transparent DSCs in building integrated photovoltaics (BIPV), which is nowadays one of the most important sectors in which commercialization and investments are expected to take place. On the other hand, the porous nature of the periodic nanostructures herein presented opens the way to further applications in different research fields, such as biological and chemical sensing, detection and recognition, light emission devices and others. Once again, colloidal chemistry offers a powerful tool in designing 1DPC structures of high optical quality and with different functionalities, as will be discussed in Chapter 2. From now on, new advances and challenging opportunities based on these preliminary results, maybe concerning more complex architectures, will come...and I really hope so! Dentro de este contexto, el principal reto planteado para el desarrollo del trabajo de investigación que se expone en esta memoria de tesis fue la fabricación de estructuras fotónicas altamente reflectantes que pudieran ser fácilmente integrables y compatibles con el método de procesado de las DSCs. Estos sistemas deberían ofrecer además ciertas ventajas con respecto a los métodos citados anteriormente, entre las que cabe destacar el empleo de un proceso de fabricación rápido y sencillo que pudiera dar lugar a materiales con amplios band gaps fotónicos en el rango de longitudes de onda del visible y que permitiera conservar a su vez la semi-transparencia del dispositivo para posibles aplicaciones futuras. Los materiales que sirven como modelo para el desarrollo de este trabajo son estructuras tipo multicapa, conocidas también como reflectores de Bragg o cristales fotónicos unidimensionales (1DPCs), comúnmente empleados en óptica como filtros interferenciales por su capacidad para reflejar o transmitir selectivamente un rango determinado de longitudes de onda. Normalmente, este tipo de sistemas multicapa, los cuales se obtienen apilando materiales dieléctricos de alto contraste en su índice de refracción, se fabrica mediante técnicas que suelen englobarse bajo el nombre de deposición física desde la fase vapor, las cuales dan lugar a recubrimientos ópticos de gran resistencia mecánica y de estabilidad frente a variaciones en las condiciones ambientales [77]. Aunque existe otro gran grupo de métodos de formación de multicapas basado en procesos de tipo sol gel [78], ambos se caracterizan por la fabricación de estructuras densas o con una distribución de poros irregular que impediría su incorporación en las celdas de hetero-unión semiconductor-electrolito líquido, donde resulta imprescindible la existencia de una porosidad interconectada que asegure la difusión de especies presentes en la fase líquida. A principios de los 90, y haciendo uso de métodos de degradado electroquímico, se consiguió fabricar por primera vez obleas de silicio con propiedades de reflector de Bragg a través de una modulación periódica de la porosidad [79-82]. Este hallazgo suscitó un gran interés en la fabricación de apilamientos tipo multicapa con un control preciso de su composición y de su meso-estructura para aplicaciones potenciales como sensores. Dos antecedentes previos al desarrollo de este trabajo demostraron la posibilidad de obtener reflectores de Bragg porosos a través del uso de capas de SiO2 y TiO2 usando moldes supramoleculares o una adsorción secuencial de nanopartículas y polímeros [83-85]. En este punto comienza la labor investigadora cuyos principales resultados se recogen en esta memoria de tesis, titulada �Cristales fotónicos unidimensionales porosos para un rendimiento fotovoltaico mejorado en celdas solares de colorante�, y que tiene como objetivos: - El desarrollo de un procedimiento experimental que permita fabricar apilamientos multicapa o 1DPCs altamente reflectantes basados en nanopartículas de distinto tipo, principalmente SiO2 y TiO2, con una porosidad interconectada. Esto lleva consigo una caracterización exhaustiva de las propiedades ópticas y estructurales de los materiales obtenidos finalmente. - La integración de las multicapas basadas en nanopartículas en DSCs. La comparación de las propiedades ópticas y fotovoltaicas de estos sistemas con aquéllos que emplean láminas difusoras permitirá evaluar el potencial de estas estructuras. - El control de la porosidad de los sistemas multicapa para un funcionamiento optimizado en DSCs, así como el estudio de la modificación del color estructural, la transparencia y la eficiencia en DSCs que integran 1DPCs con una porosidad optimizada para futuras aplicaciones como elementos arquitectónicos funcionales.