Celdas sensibilizadas de óxido de zinc: nuevos enfoques

Abstract

Las celdas solares sensibilizadas con colorante (DSC) han atraído mucha atención durante los últimos años debido a sus competitivas eficiencias y sus bajos costos. La tecnología está basada en una capa hecha de una película semiconductora (ZnO o TiO2) la cual incrementa significativamente el haz óptico debido al recogimiento de luz por las moléculas del sensibilizador ancladas en su superficie, en contacto con la solución electrolítica. En esta tesis fueron sintetizadas partículas nanocristalinas de ZnO con diferente forma, nanorods y nanopartículas, así como ZnO dopado con Mg2+ y Li+ para celdas solares sensibilizadas con colorante. Obteniendo mejores eficiencias con los fotoelectrodos nanoparticulados de ZnO. La comparación con celdas solares sensibilizadas de TiO2 muestra interesantes resultados. El transporte de electrones en las celdas solares fue estudiado usando espectroscopia de fotocorriente de intensidad modulada y reveló resultados muy similares para ZnO y TiO2. La aparente energía de activación para el transporte de electrones en el ZnO nanoestructurado fue 0,1 eV, calculada de los tiempos de transporte en función de la temperatura bajo condiciones de corto circuito. El tiempo de vida de los electrones en los semiconductores nanoestructurados fue evaluado del decaimiento de voltaje a circuito abierto y espectroscopia de fotovoltaje de intensidad modulada. Fueron obtenidos mayores tiempos de vida para el ZnO. A pesar de la reducida recombinación, el rendimiento de las celdas solares sensibilizadas de ZnO fue menor que las de TiO2, lo cual fue atribuido a una baja eficiencia en la inyección de electrones de las moléculas del colorante excitado y/o a una baja eficiencia en la regeneración del colorante. Los resultados podrían ser explicados usando un modelo de Múltiples Trampas, pero como los electrones están usualmente solo ligeramente atrapados en el ZnO, se presenta una alternativa. Asimismo un eficiente colorante orgánico, la polieno-difenilamina D5, fue evaluado como sensibilizador y comparado con el N719. Eficiencias de cerca de 3% fueron obtenidas a 100 mW/ cm2 con películas delgadas de ZnO (3 u m). La sensibilización con este pigmento no mostró problemas de agregación, muy común para las celdas de ZnO, ya que para 14 horas de sensibilización pudo ser usado sin problemas. Una disminución en la concentración de Li+ en el electrolito muestra un cambio negativo en la banda de conducción (BC) siendo el efecto opuesto comparado a lo normalmente observado. La baja concentración de Li+ produce una ligera disminución del fotovoltaje aumentando notablemente la fotocorriente resultando en un incremento de la eficiencia solar. La tendencia opuesta de la BC también fue observada en los electrodos de ZnO sin el colorante, revelando que el proceso ocurre entre el ZnO y el electrolito, independiente de la naturaleza del colorante. Finalmente este estudio muestra que la estabilidad del ZnO no solo debe ser considerada en la solución del colorante, sino principalmente en combinación con la composición del electrolito.

Dye-sensitized solar cells (DSS) have attracted much attention during the last few years, due to thek competitiva efficiencies and low costs. The technology is based on a layer made of semiconductor (ZnO or TiO2) film which significantly increases the optical path for light harvesting by the surface-anchored sensitizar molecules, in contact with the electrolytic solution. In this thesis where synthesized nanocrystalline particles of ZnO with different shape, nanorods and nanoparticles, as well as Mg2+ and Li+ doped ZnO for dye sensitized solar cells. Better efficiencies were obtained in ZnO nanoparticle photoelectrode. Comparison with TiO2 dye sensitized solar cells shows interesting results. Electron transport in the solar cells was studied using intensity-modulated phoíocurrent spectroscopy and revealed very similar results for ZnO and TiOs. Apparent activation energies for electrón transport in nanostructured ZnO of 0.1 eV were calculated from the temperature dependence of transport times under short-circuit conditions. The lifetime of electrons in the nanostructured semiconductors was evaluated frorn open-circuit voltage decay and intensity-modulated photovoltage spectroscopy. Significantly longer lifetimes were obtained with ZnO. Despite the reduced recombination, ZnO-based solar cells performed worse than TiO2 cells, which was attributed to a lower electrón injection efficiency from excited dye molecules and/or a lower dye regeneration efficiency. The internal voltage in the nanostructured ZnO film under short-circuit conditions was about 0.23 V lower than the open circuit potential at the same light intensity. Results may be explained using a múltiple trapping model, but as electrons are usually only shallowly trapped in ZnO, an altemative view is presented. If there is significant doping of the ZnO, resulting band bending in the nanocrystals will form energy barriers for electrón transport and recombination that can explain the observed properties. Likewise an efficient polyene-diphenylaniline organic dye, D5, was evaluaíed as sensitizer and compared with N719. Efficiencies of about 3 % were obtained at 100 mW/ cm2 with thin films of ZnO (3 um). Sensitization with this dye did not showed aggregate related problems; otherwise common for ZnO based solar cells, since 14 hours of sensitization times could be used without problems. A decreasing lithium concentration in the electrolyte showed a negative conduction band (CB) shift being the opposite effect compared to what is normally observed, Low concentration of lithium yielded slightly lower photovoltages, but notably higher photocurrent, resulting in the most favorable solar cell efficiencies. Increased injection efficiency and longer lifetimes explained the increase in efficiency for Dye-sensitized solar cells based on low lithium concentrations. The opposite CB trend was also observed for bare ZnO electrodes revealing that the process occumng is between the ZnO and the electrolyte, independent on the dye nature. As a consequence of the working electrode instability the dye was desorbed in different amounts depending on the electrolyte nature. This study shows that the stability of the ZnO must not only be considered in the dye bath, but more importantly in combination with the electrolyte composition.