Estudio teórico y experimental de celdas solares basadas en películas nanoestructuradas de TiO2 sensibilizadas con colorantes naturales extraídos del Zea Mays y de la Bixa Orellana

Abstract

Las celdas solares sensibilizadas con colorante (CSSC) son dispositivos de conversión de energía solar a eléctrica atractivos por su fabricación flexible y de bajo costo. Están basadas en la sensibilización de un semiconductor de banda prohibida amplia que consiste en una película nanoporosa con una gran área superficial. El colorante, ubicado sobre la superficie de la película, cumple el importante rol de absorber la luz e inyectar electrones a la banda de conducción del semiconductor. Típicamente, se emplean compuestos inorgánicos basados en complejos de Rutenio como moléculas sensibilizadoras para la CSSC. Sin embargo, el uso de estos colorantes sintéticos tiene desventajas como el alto costo y su toxicidad. En contraparte, los colorantes naturales son de fácil extracción y sus componentes orgánicos, que también realizan la absorción de luz solar, pueden ser utilizados como sensibilizadores para la CSSC. En el presente trabajo de tesis se extrajeron colorantes a partir del Zea Mays y de la Bixa Orellana, productos naturales oriundos del Perú, para la sensibilización de películas nanoporosas de dióxido de titanio (TiO2). Las CSSCs fabricadas fueron estudiadas desde el punto teórico y experimental en dos principales etapas. En la primera, se realizó la simulación computacional de las moléculas de colorante mediante el método TD-DFT y la Simulación Dinámica Molecular (SDM) de la interacción entre el colorante y el TiO2. El análisis se complementó con las caracterizaciones ópticas de UV- Visible e infrarrojo (FTIR). En la segunda etapa se estudiaron los procesos de transporte y recombinación que ocurren en la celda solar. Para ello se recurrieron a los métodos de medidas transitorias de pequeña modulación, extracción de cargas y espectroscopía de impedancia. Las simulaciones computacionales determinaron que la cinidin-3-glucósida (C3G), principal componente del Zea Mays, sensibiliza la película de TiO2 mediante un anclaje monodentado a través de uno de los grupos hidroxilo. Por su parte, la bixina, que compone a la Bixa Orellana, realiza el anclaje mediante el grupo carboxilo y mostró además una tendencia a la formación de aglomerados sobre el TiO2. La técnica de extracción de carga permitió establecer la distribución de estados trampa de las películas sensibilizadas. Las medidas transitorias de pequeña-modulación brindaron información acerca de las constantes de tiempo y del coeficiente de difusión. Se concluyó que la película sensibilizada con el C3G presentó una mayor densidad de estados trampa y un menor nivel en la banda de conducción lo que derivó en menores tiempos de vida del electrón. La película sensibilizada con la Bixina presentó una mejor difusión para sus portadores de carga libres. Esto fue corroborado con la espectroscopía de impedancia, en el que los parámetros de longitud de difusión señalaron a la celda con Bixina con una mejor eficiencia de recolección de cargas. Todos los resultados estuvieron en concordancia con las curvas características de corriente – voltaje y con la curva espectral de eficiencia de conversión de fotones incidentes a electrones (IPCE).

Dye Sensitized Solar Cells (DSSC) are attractive solar-to-electric energy conversion devices due to their low-cost and flexible manufacturing. They are based on the sensitization of a wide bandgap semiconductor consisting of a nanoporous film with a large surface area. The dye, located on the surface of the film, plays the important role of absorbing light and injecting electrons into the conduction band of the semiconductor. Typically, inorganic compounds based on ruthenium complexes are employed as sensitizing molecules for CSSC. However, the use of these synthetic colorants has disadvantages such as high cost and toxicity. In contrast, natural colorants are easily extracted and their organic components, which also absorb sunlight, can be used as sensitizers for CSSC. In this thesis work, colorants were extracted from Zea Mays and Bixa Orellana, natural products from Peru, for the sensitization of nanoporous titanium dioxide (TiO2) films. The manufactured CSSCs were studied from the theoretical and experimental point of view in two main stages. In the first, the computational simulation of the dye molecules was performed using the TD-DFT method and the Dynamic Molecular Simulation (DMS) of the interaction between the dye and TiO2. The analysis was complemented with UV-Visible and infrared (FTIR) optical characterizations. In the second stage, the transport and recombination processes that occur in the solar cell were studied. For this, the methods of transient measurements of small modulation, extraction of charges and impedance spectroscopy were used. Computational simulations determined that cinidin-3-glucoside (C3G), the main component of Zea Mays, sensitizes the TiO2 film through a monodentate anchor through one of the hydroxyl groups. For its part, bixin, which makes up Bixa Orellana, anchors through the carboxyl group and also showed a tendency to form agglomerates on TiO2. The charge extraction technique allowed to establish the distribution of trap states of the sensitized films. Small-modulation transient measurements provided information about time constants and diffusion coefficient. It was concluded that the film sensitized with C3G presented a higher density of trap states and a lower level in the conduction band, which resulted in shorter electron life times. The Bixin sensitized film exhibited better diffusion for its free charge carriers. This was corroborated with impedance spectroscopy, in which the diffusion length parameters pointed to the Bixin cell with better charge collection efficiency. All the results were in agreement with the characteristic curves of current - voltage and with the spectral curve of efficiency of conversion of incident photons to electrons (IPCE).