Fotosíntesis artificial Celdas solares sensibilizadas por colorantes DSSC (dye-sensitized solar cells)

Siglo XI La necesidad de encontrar nuevas formas de abastecimiento energético Fuentes no renovables agotándose Fuentes renovables Cubriendo el 0.1% de la superficie terrestre con celdas solares (eficiencia ≈10%) sería suficiente para satisfacer las necesidades de energía eléctrica.

DSSC Grätzel  en 1991 publicó “una celda solar con alta eficiencia y bajo costo basada en capas coloidales sensibilizadas con colorantes” Celdas Sin silicio o arseniuro de galio ($$$) Colorante  proporciona e- Inorgánicos (rutenio y zirconio) Orgánicos (clorofilas, antocianinas –pigmentos azules, rojos, morados-)

Fundamento teórico Fotoquímica.

Fenómenos asociados con la absorción y emisión de radiación por sistemas químicos Luz onda-partícula Pequeñas unidades cuantificadas cuantos o fotones Principio de activación fotoquímica de Grotthus-Drapper LUZ Molécula excitada Disipación Mecanismos radiativos Fluorescencia Fosforescencia Mecanismos no radiativos Químicos Físicos Absorción

Fenómenos asociados con la absorción y emisión de radiación por sistemas químicos Ley de Stark-Einstein Procesos fotoquímicos Principio de Franck-Condon Ley de Lambert y Beer Diagrama de Jablonski Reacciones FOTOSENSIBILIZADAS

IPCE (λ) IPCE representa el número de electrones que contribuye a la fotocorriente por fotón incidente, para una longitud de onda dada

Sistema: constituyentes Dos electrodos Electrodo de trabajo (recubierto por material semiconductor. Espesor : 20-50 nm) ZnO  difícil obtención TiO2  bajo costo y gran eficiencia. Estabilidad química Contraelectrodo Dopaje de electrodos ( ↑ eficiencia de celdas) Sensibilizador  absorbe un rango amplio del espectro solar Solvente orgánico (en el cual se encuentra el electrolito) Ej: etilenglicol Un electrolito Generalmente par redox I- / I3 – (solución KI)

Composición de una celda

Reacciones fotoquímicas

Colorantes Diversos colorantes utilizados como sensibilizadores. Ej: anticioninas y clorofila

Moras (picos alrededor de 539-540 nm, absorbancia = 0.546) Té negro (ningún pico, absorbancia = 0.606) Clorofila (picos alrededor de 405 nm y 627 nm; absorbancia = 0.86 and 0.22, respectivamente) Arándano (pico alrededor de 560 nm, absorbancia = 0.22)

Té de Hibiscus (picos a 283 nm y 542 nm con absorbancias a 0. 59 y 0 Granada (pico a 539, absorbancia=0.35) Frambuesa (pico a 534 con absorbancia de 0.46)

Absorbancias respectivas 0.70, 0.32, y 0.19) Combinación de colorantes antes mencionados(picos a 403 nm, 542 nm, y 623 nm; Absorbancias respectivas 0.70, 0.32, y 0.19)

Gráfico de espectro de absorción de la antiocianina al variar el pH

Mejoras Mejora en volatilidad del electrolito en el rango de temperatura de trabajo de la celda; utilizando sales fundidas (alta conductividad y movilidad iónica) DSSC con estructura de doble capa de TiO2 Primera capa depositaba con baño químico activado por microonda (MW-CBD)  capas finas densas y compactas. Bajo costo Objetivo de doble capa: 1° capa como capa de contacto y barrera que impida el contacto del electrolito con el óxido conductor

Eficiencia de las DSSC Tamaño de nanopartículas Rapidez de promoción de electrones > rapidez de decaimiento del estado excitado Fotodegradación de colorantes Espesor de capa de semiconductor Energía absorbida en forma de calor  termalización Vidrios conductores (alta resistencia) Perdidas Muchos de los fotones incidentes son reflejados por el TCO

Ventajas y desventajas No contribuye a la contaminación atmosférica ni al calentamiento global Buen funcionamiento en niveles de radiación relativamente bajos El record de eficiencia de una célula de Grätzel es actualmente del 11%, y es posible fabricarlas en serie con una eficiencia del 6% Baratas y fáciles de hacer Otra posibilidad interesante de las DSC es la de permitir la construcción de paneles flexibles, portátiles, coloreados, multiformas, semitransparentes y decorativas. Si se usan colorantes orgánicos  fotodegradación (disminuyendo su periodo de vida con respecto a otros colorantes). Solución: introducción de sales iónicas (también conocidas como disolventes verdes), a fin de prevenir la evaporación de los compuestos líquidos y su correspondiente pérdida de eficacia.