Transcript Celdas solares

Dr. Leslie W. Pineda
Escuela de Química - CELEQ
Universidad de Costa Rica
21 de agosto de 2013
www.nanofem.ucr.ac.cr
Temas a desarrollar:
 Generalidades sobre el proyecto.
 Aspectos generales sobre energía.
 Descripción
de
algunos
nanoestructurados en energía.
sistemas
 Investigación en sistemas nanoestructurados en la
UCR.
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Información general del proyecto:
 Nombre del proyecto: “Celdas solares que contienen tintes
sensibilizantes para la producción de energía”
 Participantes: Dr. Leslie W. Pineda (UCR), Dr. Carlos Meza
(ITCR)
Investigadores: Dra. Mavis Montero (UCR), Dr. Cristian
Campos (UCR), Dr. Víctor Hugo Soto (UCR), Lic. Víctor
Castro
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 Objetivo:
Diseñar y caracterizar química y físicamente celdas solares
sensibilizadas con cromóforos como antenas receptoras de
la luz solar que contengan tintes naturales o complejos
novedosos de rutenio.
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 Metodología
1. Preparación de las componentes de una celda solar
sensibilizada: fotoánodo, síntesis de pasta nanométrica de
TiO2, preparación de contraelectrodos, preparar
electrolito.
2. La síntesis de los complejos de rutenio se realizará
mediante el uso de técnicas Schlenk al hacer reaccionar las
sales o compuestos precursores de rutenio con el ligando.
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3. Investigar el potencial uso de tintes naturales como
antenas receptoras.
4. Ensamblar y medir la eficiencia de las celdas solares
sensibilizadas mediante curvas J-V.
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Principales logros académicos
 Trabajo colaborativo con el Laboratorio de Sistemas
Electrónicos para la Sostenibilidad (SESLab) del
Instituto Tecnológico de Costa Rica (ITCR).
Mediciones con el
simulador solar, SESLab,
ITCR
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 Establecimiento
de un laboratorio de sistemas
fotovoltaicos para el ensamblado y caracterización
química y física, ubicado en el CELEQ.
Potenciostato galvanostato
utilizado en la caracterización de
celdas solares
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 También, ha generado la preparación de masa crítica en
una temática de gran relevancia para el país.
Rivera, C. M.; Tesis de Maestría en Química, Universidad
de Costa Rica, 2012, Funcionalización de dióxido de titanio
nanoparticulado con diferentes moléculas orgánicas
bifuncionales y trímeros de compuestos de transición para
la obtención de nuevos materiales.
Daniela Camacho, Tesis de Licenciatura en Ingeniería
Química, 2012, Evaluación de varios sustratos modificados
de dióxido de titanio (TiO2) como fotocatalizadores para la
producción de hidrógeno a partir de la hidrólisis de agua.
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Karina Torres, Tesis de Licenciatura en Ingeniería Química,
2012, Caracterización de la eficiencia de tintes de celdas
solares sensibilizadas.
Tesis en desarrollo:
Andrea Soto Navarro, Tesis en Maestría Química,
Evaluación del funcionamiento de celdas solares de tercera
generación que poseen tintes sensibilizantes provenientes de
microorganismos como receptores de fotones.
Natalie Flores Díaz, Tesis de Licenciatura en Ingeniería
Química, Determinación de la eficiencia energética de
pigmentos de extractos naturales, pigmentos obtenidos
mediante procesos biológicos, y cosensibilizantes
nanoparticulados de germanio en celdas solares
sensibilizadas.
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 Se ha dado a conocer la temática de energía solar
fotovoltaica al público en general.
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Publicaciones y participación en Congresos:
 Torres, K.; Arrieta, J. P.; Torres, C. Q.; Montero, M. L.;
Pineda, L. W. Revista Energía, 2011, 60, 69. (ISSN 14090155).
 Cinthya Rivera-Martínez, Cristian Saúl Campos Fernández,
Mavis L. Montero, Leslie W. Pineda, 2013, Tailoring Cobalt
Trinuclear Complexes by Surface Functionalization of
Nanoparticulate Titanium Dioxide Containing Linker
Molecules, in preparation.
 Cinthya Rivera-Martínez, Mavis L. Montero, Leslie W.
Pineda, 2013, Harnessing Titanium Dioxide Surface
Reactivity for Functional Novel Materials, in preparation.
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Arrieta, J. P.; Vargas, W. E.; Pineda, L. W. Conference on
Techologies for Sustainable Development, TSD 2011,
modalidad poster, Costa Rica.
Lizano, M. G.; Corrales, Y.; Campos, C. S.; Meza, C.;
Montero, M. L.; Pineda, L. W.; Rojas, C. F. XIX Congreso
de la Sociedad Iberoamericana de Electroquímica
(SIBAE 2010), Alcalá de Henares, Madrid, España,
modalidad poster.
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Algunas definiciones importantes
 Energía, es la capacidad de un sistema de realizar
trabajo.
 Cadena en la transformación de la energía:
Energía primaria: contenido de energía sin
transformar.
Energía secundaria: transformación de la energía
primaria (gasolina, kerosene, etc).
Energía final: destino el usuario.
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Aspectos relevantes
 El gran desafío de producir energía. Consumo global de
energía para el año 2000 corresponde a 13 TW. Se estima
para el año 2050 correspondería a 28 TW.
 Fin de la disponibilidad de petróleo barato. Nuevos
consumidores con poder adquisitivo.
 Emisiones de gases de efecto invernadero. Aumento de los
niveles de CO2 de 280 ppm a 380 ppm.
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 El uso de tecnologías energéticas no sostenibles ha
ocasionado una excesiva emisión de dióxido de carbono.
 Utilización de fuentes de energía escasas y ubicadas sólo en
ciertas regiones del planeta, genera inestabilidad social,
económica y política a nivel global.
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 Lo anterior crea dependencia energética y económica poco
ventajosa.
 El uso de tecnologías energéticas sostenibles implica no
sólo una acción amigable con el ambiente, sino también una
forma de asegurar la independencia energética y económica
de una región.
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 Una fuente de energía sostenible está determinada
principalmente por dos factores:
 El tiempo de amortización.
 Cantidad de subproductos contaminantes asociados con
su manufactura y operación.
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Destaca Thomas A. Edison, en 1931, a sus amigos Henry
Ford y Harvey Firestone:
“Yo pondría mi dinero en el Sol y la energía solar. ¡Qué
fuente de poder! Espero que no tengamos que esperar a que
el petróleo y el carbón se agoten antes de abordar eso”
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Energía Solar
 1.7x105 TW provenientes del sol en la
atmósfera terrestre.
 Aproximadamente 600 TW llegan a la superficie
terrestre
 Celdas solares de 10% de eficiencia podrían suplir 60
TW provenientes del sol.
Hagfeldt, A., Boschloo, G., Sun, L., Kloo, L., & Kloo, L. (2010). Dye Sensitized Solar Cells. Chemical Reviews , 110
(11), 6595–6663.
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 El sol emite luz desde el UV-Vis hasta IR. Longitudes
de onda recibidas en la superficie dependen de
absorción atmosférica y posición del sol.
 El O3 atmosférico absorbe luz UV, y el H2O y CO2
absorben en el IR.
 Cuando el cielo se encuentra despejado y el sol está en
su posición más alta, se obtiene el camino más corta de
la luz a través de la atmósfera, Air Mass (AM):
AM = 1/cosφ
φ el ángulo de elevación del sol.
(Hagfeldt et al, 2010)
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 El espectro solar estándar utilizado para la medición
de la eficiencia en celdas solares es AM 1.5 G (global),
con lo que se tiene un ángulo de elevación del sol de
48°. Este espectro está normalizado de forma que la
irradiancia integrada sea de 1000 W m-2. (Hagfeldt et al, 2010).
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Relevancia de investigaciones en
energía solar para Costa Rica
 Tipos de energía utilizadas
 Consumo
Importación total de los combustibles fósiles que se consumen
Al 2010 el 70% como productos terminados, refinería limitada para el
consumo del país
MINAET - Dirección Sectorial de Energía. VI Plan nacional de Energía 2012-2030.
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Relevancia de investigaciones en energía
solar para Costa Rica
 Radiación solar en el país
Heinrich, K. B.; Pacheco, R. C.; Solera, M. F.; Alfaro, M. H. Series de brillo Solar en Costa Rica.
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Ministerio del Ambiente Energía y Telecomunicaciones-Instituto Metereológico Nacional. 2010.
1) Celdas fotogalvánicas.
Celdas solares:
2) Celdas basadas en
semiconductores.
3) Celdas fotoelectroquímicas
de unión líquida.
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Celdas de Primera Generación
 Materiales altamente puros, con la menor cantidad de
defectos estructurales posibles.
 Mayor conversión de energía con respecto a las otras celdas
fotovoltaicas.
 Altos costos de producción y a la gran cantidad de energía
que utiliza para ello, el costo por W pico (wp) es muy alto.
 Uniones n-p de Si monocristalino. (Kalyanasundaram, 2010)
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Celdas de Segunda Generación
 Técnicas de preparación intensiva y de baja energía como
deposición con vapor y galvanoplastia.
 Su eficiencia energética es menores a las de primera
generación.
 Casi todas las celdas fotovoltaicas de capa fina caen dentro
de esta categoría:
 Si policristalino, CdTe, Cd-In-Ga-Se (CIGS), etc., ya sean
multicristalinos o amorfos.
(Kalyanasundaram, 2010)
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Celdas de Tercera Generación
 Se clasifican como:
1) Aquellas que tienen potencial para obtener valores
de eficiencia mayores al límite de Shockley-Queisser.
2) Aquellas que logren costos menores a 0,5$/Wp.
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 Primera Generación: Paneles de
Silicio monocristalino.
 Segunda Generación: Paneles de capa delgada, Si
policristalino y amorfo, CIGS (cobre, indio, galio, selenio),
CdSe, entre otras
 Tercera Generación : Sensibilizadas, orgánicas, ETA
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Celdas solares sensibilizadas con
tintes (DSSC)
 Desarrolladas por Michael Grätzel y Brian O’Reagan en Suiza en
1991.
 Han alcanzado hasta un 12% de eficiencia en investigaciones
recientes.
 El fotoánodo es un semiconductor transparente de banda
prohobida ancho, en una red de moléculas nanométricas; un
tinte sensibilizante que se ancla al semiconductor, un electrolito
que regenera al tinte, un catalizador en el cátodo.
O'Regan, B., & Grätzel, M. (1991). A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye sensitized colloidal TiO2
films. Nature (353), 737-740.
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Halme, J., Vahermaa, P., Miettunen, K., & Lund, P. (2010). Device physics of dye solar cells. Advanced materials (Deerfield
Beach, Fla.), 22(35), E210–34. doi:10.1002/adma.201000726
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Ventajas DSSC
 Bajos costos de producción, y costos de inversión
mucho menores que para las otras tecnologías
existentes.
 Variedad en el diseño, como transparencia, múltiples
opciones de color, etc.
 Flexibilidad y ligereza
 Mejor desempeño en condiciones reales (luz difusa)
que las celdas de primera y segunda generación.
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Pigmentos Naturales
Cuadro 1.2. Grupos de pigmentos encontrados en extractos naturales. (Narayan, 2012)
Pigmentos
Tipo común
Ocurrencia
Betalainas
Betacianinas
Caryophyllales y algunos
hongos
Carotenoides
Carotenos
Plantas fotosintéticas y
bacterias
Xantófilos (xanthophylls)
Obtenidos de la dieta de
algunas aves, peces y
crustáceos
Clorofila
Clorofila
Todas las plantas
fotosintéticas
Flavonoides
Antocianinas
Común en las plantas
angiospermas,
gimnospermas, helechos y
briófitos
Narayan, M. (2012). Review: Dye sensitized solar cells based on natural photosensitizers. Renewable and Sustainable Energy
Reviews (16), 208-215.
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Hao, S., Wu, J., Huang, Y., & Lin, J. (2006). Natural dyes as photosensitizers for dye-sensitized solar cell. Solar Energy (80),
209-214.
Zhang, D., Lanier, S., Downing, J., Avent, J., Lum, J., & McHale, J. (2008). Betalain pigments for dye-sensitized solar cells.
Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry , 195, 72-80.
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Puntos cuánticos (QD)
Los QD más utilizados son los semiconductores CdS,
CdSe, CdTe, CuInS2, Cu2S, PbS, PbSe, InP, InAs, Bi2S3,
Sb2S3, etc. Generalmente, las eficiencias obtenidas para
celdas sensibilizadas con QD se encuentran entre 4-5%.
Rühle, S., Shalom, M., & Zaban, A. (2010). Quantum-Dot-Sensitized Solar Cells. ChemPhysChem , 11, 2290-2304.
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Pigmentos obtenidos de MO
Ahmad, W. A., Wan Ahmad, W. Y., Zakaria, Z. A., & Yusof, N. Z. (2012). Application of Bacterial Pigments as Colorant.
doi:10.1007/978-3-642-24520-6
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(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 1. Fotografía de (a) Picramnia, (b) extracto de pricamnia, (c)
electrodos de TiO2 con el pigmento adsorbido y (d) celdas solares
sensibilizadas con el extracto de picramnia.
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(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 2. Fotografía de (a) curcumina, (b) extracto de curcumina, (c)
electrodos de TiO2 con el pigmento adsorbido y (d) celdas solares
sensibilizadas con el extracto de curcumina.
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(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 3. Fotografía de (a) caimito, (b) extracto de caimito, (c)
electrodos de TiO2 con el pigmento adsorbido y (d) celdas solares
sensibilizadas con el extracto de caimito.
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(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 4. Fotografía de (a) rosa de Jamaica, (b) extracto de rosa de
jamaica, (c) electrodos de TiO2 con el pigmento adsorbido y (d) celdas
solares sensibilizadas con el extracto de rosa de jamaica.
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EVALUACIÓN DE NUEVOS SUSTRATOS DE
TiO2, MODIFICADOS CON COBALTO COMO
FOTOCATALIZADORES EN LA PRODUCCIÓN
DE HIDRÓGENO
COLABORACIÓN: DR. ESTEBAN DURÁN, IQCELEQ
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Agradecimientos
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
CONARE-FEES
Universidad de Costa Rica
Vicerrectoría de Investigación
Escuela de Química
CELEQ
MICIT-CONICIT
Florida Ice and Farm
Dr. Víctor H. Soto Tellini, Escuela de Química
Dr. Esteban Durán, Ingeniería Química
Lic. Víctor Castro, CIPRONA
Dr. Adrián Pinto, M.Sc. Catalina Murillo, CIEMIC
Dr. Thomas Moehl, EPFL, Suiza
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Prototipos de Laboratorio
Preparación de los fotoánodos: corte, limpieza, secado
2. Preparación de contraelectrodos: huecos, corte, limpieza.
3. Electrodeposición de Pt en contraelectrodos
1.
4.
Aplicación de pasta en electrodos: Dr Bladding
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5. Sinterizado
6. Inmersión en el tinte/limpieza
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7. Pegado de electrodos
8. Llenado de electrolito
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9. Sellado final de la celda
10. Pintura de Plata
11. Medición
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