Evaluación del efecto de la incorporación de CNT, y capa semilla en fotoánodos de TiO2 para celdas solares sensibilizadas con la proteína fotosistema I

Abstract

La investigación de celdas solares se ha realizado a partir de la década de los 1950s cuando inició el desarrollo de los dispositivos de primera generación. A lo largo de los años la tecnología que utilizan las celdas solares para generar energía ha cambiado con el objetivo de fabricar dispositivos que utilicen materiales más accesibles, biocompatibles y con la capacidad de obtener una eficiencia más alta con un costo más bajo. A partir del año 1991, la investigación realizada por Oregan y Grätzel con celdas solares sensibilizadas dio inicio al desarrollo de las celdas solares de tercera generación. Uno de los avances de la tercera generación de celdas solares es el uso de semiconductores nanoestructurados sensibilizados con moléculas de origen biológicos, i.e. bio-sensibilizados. En este trabajo se investigan estrategias para mejorar el desempeño de celdas solares bio-sensibilizadas con fotosistema 1 (PS1), la proteína responsable de convertir la energía solar en energía electroquímica en plantas y algas verdes. Se explora el efecto de la adición de nanopartículas de Dióxido de Titanio (TiO2) y nanotubos de carbono (CNT), a fotánodos de NRs (NRs por sus siglas del inglés “nanorods”) de TiO2 en el desempeño fotovoltaico de los dispositivos Para esto se realiza primero la síntesis de fotoánodos sin ningún tipo de modificación, solamente con NRs de TiO2, y posteriormente con la adición de CNTs, y nanopartículas de TiO2. Se realiza la caracterización de los fotoánodos por medio de imágenes Microscopía Electrónica de Barrido (SEM por sus siglas en inglés) y Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM por sus siglas en inglés) para observar la morfología de la capa de nanoestructuras obtenida en los fotoánodos y determinar sus dimensiones. Se observo que la adición de CNTs y NPs de Ti disminuyen el grosor de las NRs mientras que se confirma la adición de NPs en la superficie de las NRs de Ti con el postratamiento con TiCl4. Se aplican ensayos de Espectroscopía de Energía Dispersiva (EDS por sus siglas en inglés), Raman y Difracción de Rayos X (XRD por sus siglas en inglés) para adquirir información acerca de la composición química y cristalinidad de las nanoestructuras de los fotoánodos. Se confirmó la incorporación de los CNTs y FCNTs en las NRs además de Ti rutílico en todas las muestras. Adicionalmente, la funcionalización de los CNTs facilita su adherencia a la matriz de las NRs de Ti. Se realizan espectroscopías de absorbancia y fluorescencia UV-Visible para determinar las propiedades ópticas de los fotoánodos y extrapolar información sobre su estructura electrónica. Se identificó que la muestra PRE es la que presenta un % de transmisión más alto mientras que la de un menor valor es la PRE-POS. La adición de CNTs sin funcionalizar incrementa los defectos en las NRs correspondientes a vacancias de oxígeno. Posteriormente, se realiza la caracterización de las celdas solares con cada uno de los fotoánodos sintetizados para obtener su desempeño fotovoltaico en términos de su voltaje de corriente abierta (VOC), corriente de corto circuito (ISC) o densidad de corriente de corto ciruito (JSC), factor de llenado (FF), eficiencia (%PCE) e impedancia. El mejor desempeño se encontró en la muestra PRE seguida de la PRE-FCNT, mientras que la REFA fue la que menor eficiencia presentó. En términos de impedancia las muestras PRE y PRE-FCNT presentan una menor impedancia.

The investigation of solar cells has been taking place since the decade of the 1950s where the development of the initial first generation solar cells initiated. Throughout the years the development of new technologies of solar cells has led to the use of materials that are more accessible, biocompatible and capable of generating a higher efficiency at a lower market cost. At the yar 1991, the investigation of Oregan and Grätzel with sensibilized solar cells lead to the development of third generation solar cells. One of the technologies that are included in the third generation of solar cells is the use of biosensibilized nanostructures of semiconductors with proteins extracted from microorganisms of animal or vegetable origin. In this work an exploratory study is performed about the effect of the addition of carbon nanotubes (CNT), functionalized carbon nanotubes (fMWCNT) and nanoparticles of Titanium Dioxide (TiO2) on the photovoltaic performance of photoanodes composed of TiO2 nanorods biosensibilized with photosystem 1 (PS1). The synthesis of the photoanodes is performed first without any modification, obtaining a photoanode of only nanorods of TiO2, and then with the addition of CNTs, fMWCNTs or a treatment with TiO2 nanoparticles before or after the synthesis of the nanorods. Additionally, the characterization of the photoanodes is performed by the obtention of Scanning Electron Microscopy (SEM) and Transmission Electron Microscopy (TEM) images to observe the resulting nanostructure in the photoanode as well as their dimensions. It was observed that the addition of CNTs and Ti NPs make NRs thinner while the deposition of Ti NPs on the surface of the NRs with the posttreatment with TiCl4. Energy Dispersive Spectroscopy (EDS), Raman and X Ray Diffraction (XRD) tests to acquire information about their chemical composition and crystallinity. The incorporation of CNTs, FCNT and rutile Ti was confirmed in all the simples. Additionally, the functionalization of CNTs facilitates their adherence on a Ti NRs matrix. UV-Visible tests to obtain their optical properties and Fluorescence testing to determining possible defects present in their nanostructure. It was identified that the sample PRE presents a higher transmission % while the sample PRE-POS obtained the lowest transmission %. The addition of CNTs without functionalization increments the defects in the NRs, corresponding to oxygen vacancies. Finally, the characterization of a solar cells with each photoanode is performed to obtain its photovoltaic performance in terms of its open circuit voltage (VOC), short circuit current (ISC) or short circuit current density (JSC), fill factor (FF) efficiency (%PCE) and impedance. The best perfomance corresponds to the PRE sample followed by the PRE-FCNT sample. The REFA sample presented the lowest efficiency. The simples PRE and PRE-CNT obtanied the lowest impedance.