Síntesis de nanobarras de TiO2 por método hidrotermal para aplicación como fotoánodo en una celda biofotovoltaica

Abstract

Actualmente se desarrollan celdas solares biosensibilizadas, en las que una proteína fotosintética como la bacteriorhodopsina depositada sobre un semiconductor absorbe energía solar y por un sistema electroquímico de fotogeneración de excitones la convierte en electricidad. Esta tecnología está limitada por una baja cobertura de la proteína sobre el TiO2, al haber poros muy pequeños en las nanoestructuras para la macromolécula de 27 kDa. En este proyecto se realizó la síntesis hidrotermal de nanobarras de TiO2 con el objetivo principal de lograr una capa nanoestructurada con espaciamiento entre barras mayor a 15 nm que permita la penetración de las proteínas y obtener un área de contacto mayor entre la proteína y el TiO2. Para esto se ajustaron los parámetros de síntesis de la concentración de Butóxido de titanio IV y ácido clorhídrico, la temperatura de síntesis y el tiempo de reacción. Se analizaron las propiedades del TiO2 sintetizado en periodos de crecimiento de 2, 4 y 6 horas, dando resultados de dimensiones de diámetro, entre 272.047±29.184 a 379.424±71.967 nm, y longitud, 4.292±0.0950 a 11.470±0.2985 nm. Para la caracterización de las nanobarras se realizaron pruebas de XRD, Fluorescencia, UV-Visible, imágenes SEM y evaluación de desempeño de las celdas solares en condiciones de luz y oscuridad. Las nanobarras presentaron una alta cristalinidad y algunos defectos superficiales. La longitud de onda absorbida por el TiO2 fue menor a los 380 nm permitiendo un porcentaje de transmisión entre el 30 % y 40 % a 550 nm. Los anchos de banda prohibido obtenidos para la capa de nanobarras fue de 3.11 - 3.14 eV. La celda solar de mejor desempeño obtuvo valores de Voltaje de circuito abierto (VOC) del 776 mV, Densidad de corriente (JSC) de 170 uA/cm2, Porcentaje de Eficiencia de Conversión de Potencia (%PCE) de 0.06 % y Factor de llenado (%FF) del 41.9 %.

In this project the synthesis of TiO2 nanorods by the hydrothermal method was performed to obtain a layer of nanostructures with a separation of 10 nm in which the protein bacteriorhodopsin can penetrate in between this nanorods and use in a more efficient way the available surface area. This may allow an increase in the generation of excitons or pairs of free excited electrons and ‘’empty’’ spaces left behind in the valence band of the bacteriorhodopsin. To obtain the desired morphology changes were applied to the synthesis parameters of the hydrothermal method of the concentrations of Titanium Butoxide IV and chlorohydric acid, the synthesis temperature, and the reaction time. For this last one more adjustment was realized by applying growing periods of 2, 4 and 6 hours. The nanorods obtain with the variation of these parameters presented differences in their diameter, 272.047±29.184 a 379.424±71.967 nm, and length, 4.292±0.0950 a 11.470±0.2985 nm, increasing proportionally with the reaction time. For the characterization of the nanorods XRD, Fluorescence and UV-Visible tests were performed with the obtention of SEM images and a performance test of solar cells in conditions of light and darkness. Additionally, the nanorods presented high crystallinity, few superficial. The TiO2 was able to absorb wavelengths of 380 nm allowing a transmission percentage between 30 % and 40 % at wavelengths of 550 nm. The bandgap obtained for de nanorods was of 3.11 eV and 3.14 eV. The solar cell with the best performance presented an Open circuit voltage (VOC) of -0.776 V, a Current density (JSC) of 0.172 mA/cm2 , a %PCE of 0.056% and a Fill factor (%FF) of 41.86 %.