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Celdas solares de 1ª y 2ª generación
• 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.
Contacto
Metalico
Regilla 3 mm
200 µm
300 µm
Antirreflexion
n+
p
p+
Homounión Si
Metal
Vidrio
n+
I
p+
CCT
Unión PIN de a- Si: H
0.7 µm
0.5 µm
Molibdeno
n+
n
p+
Zn O
Zn O
Cu In Se
Aislante
Eficiencia Area
16.9% 0.33 cm2
Metal
Vidrio
n+
p+
CCT
Cd Te
Cd S
Eficiencia Area
15.8% 1.05 cm2
Heterounion ZnO-CuInSe2 Heterounion CdS-CdTe
Estructuras de Celdas Solares
Eficiencias de conversión a nivel laboratorio[3]
[3] National Renewable Energy Laboratory Best Research-Cell efficiency (10-2012)
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*
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
•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
Energía luminosa 6(CO2) + 12(H2O) -----------------------> C6H12O6 + 6(O2) + 6(H2O) +ATP Clorofila*
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 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
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
18 Esquema de las partes que componen el proceso de roció pirolítico
SnO2:F; FTO, In2O3:Sn
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].
19
Reactivos:
• Isopropóxido de Titanio
• Etanol anhidro
• Agua desionizada
• Acido clorhidrico
Semiconductor tipo
n de TiO2
127 °C 148 °C 167 °C
182 °C 210 °C 200 °C (ref.)
Imágenes en microscopia de barrido de electrones por emisión de campo (FE-SEM) de las películas porosas de TiO2 fabricadas por serigrafía
Comparación de tamaño de partícula recién sinterizada y en película porosa (530 °C)
Temperatura de síntesis (°C) del
proceso hidrotermal
Tamaño de partícula inicial (nm) en polvo
Tamaño de partícula en película porosa
(nm) tratada a 530 ºC
127 9 (127 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.
23 Proceso de adición de una película de TiO2 por serigrafía
Impresión serigráfica de TiO2 mesoporoso
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
Fabricación de celdas solares DSSC
(VOC= 0.7 V; JSC= 17.6 mAcm-2; FF= 0.587; η%= 7.035%).
-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
J [m
A c
m-2]
Voltaje [V]
% n = 7,035792
% n = 6,944068
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 sensitized TiO2
Electrophoresis
SILAR
Impregnation
Chemical bath
Jsc(mA/cm2) Voc(V)
FF(%) h(%)
S+P 12 .627 53.4 4.04
E+S 13.4 0.598 49 3.89
E+S+P 13.6 0.592 55.5 4.50
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) La absorción de la luz conduce a la creación excitón, 2) El excitón se difunde a la molécula aceptora, 3) El excitón se disocia en cargas libres y 4) Las cargas son extraídas en los electrodos
“Desarrollo y fabricacion de modulos de celdas solares de TiO2 sensibilizadas con colorante (DSC) y puntos cuanticos (QDs), y de organicas 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.
Agradecimientos • Sergio Velázquez Martínez
• Mario A. Sánchez García
• Carlos A. Pineda Arellano
• L. Alberto González Sotelo
• Gabriela Gutiérrez Mata
• Dalia Marín
• Rogelio Morán
• Luis & Roberto
• Dr. Marc Anderson
• Dr. Gerko Oskam
• Dr. Arturo Maldonado
• Dr. José Luis sosa
• Dr. Guillermo Pérez Álvarez
• José Luis Sosa Sánchez
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
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. Gerko O. CINVESTAV Mérida
FTO CINVESTAV D.F Drs. Arturo Maldonado,
María de la Luz Olvera, Rajesh
Biswal
Electrolito CINVESTAV Mérida Dr. Gerko +
Grupo de Invest.
Dr. José Luis Sosa + Estudiante de maestría
Colorantes CINVESTAV Mérida,
Dr. José Luis sosa, BUAP Instituto de Biología -UNAM
Perovskitas CINVESTAV Mérida Dr. Gerko
BUAP Dr. José Luis sosa + Estud. + Sergio y Dalia
Modelado de celdas solares y módulos FV Dr. Guillermo Pérez
Escalamiento a módulos FV Dres. Arturo Maldonado, Dr. Antonio Jiménez, Dr. Gerko,
Ings. Electrocamecánica, eléctrica, Física,
Financiamiento: Proyecto CEMIE-Sol del Fondo SENER-CONACYT
2013-2017
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.
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