Celdas solares que contienen tintes sensibilizantes para la producción de energía

1. Celdas solares que contienen tintes sensibilizantes para la producción de energía Dr. Leslie W. Pineda Escuela de Química - CELEQ Universidad de Costa Rica 21 de agosto de 2013 www.nanofem.ucr.ac.cr

2. Generalidades sobre el proyecto. Aspectos generales sobre energía. Descripción de algunos sistemas nanoestructurados en energía. Investigación en sistemas nanoestructurados en la UCR. Temas a desarrollar:

3. 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

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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

8. Establecimiento de un laboratorio de sistemas fotovoltaicos para el ensamblado y caracterización química y física, ubicado en el CELEQ. Potenciostatogalvanostato utilizado en la caracterización de celdas solares

9. 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.

10. 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.

11. Se ha dado a conocer la temática de energía solar fotovoltaica al público en general.

12. 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 1409-0155). • Cinthya Rivera-Martínez, CristianSaúl 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.

15. Arrieta, J. P.; Vargas, W. E.; Pineda, L. W. ConferenceonTechologiesforSustainableDevelopment, 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.

16. 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. Algunas definiciones importantes

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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”

22. 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.

23. 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): φ el ángulo de elevación del sol. (Hagfeldt et al, 2010)

24. 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).

25. 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.

26. 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. Ministerio del Ambiente Energía y Telecomunicaciones-Instituto Metereológico Nacional. 2010.

27. 1) Celdas fotogalvánicas. Celdas solares: 2) Celdas basadas en semiconductores. 3) Celdas fotoelectroquímicas de unión líquida.

28. 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)

29. 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)

30. Celdas de Tercera Generación • Se clasifican como: • 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.

31. 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

32. Celdas solares sensibilizadas con tintes (DSSC) • Desarrolladas por Michael Grätzel y Brian O’Reaganen Suiza en 1991. • Han alcanzado hasta un 12% de eficiencia en investigaciones recientes. • El fotoánodo es un semiconductor transparente de banda prohobidaancho, 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.

33. Halme, J., Vahermaa, P., Miettunen, K., & Lund, P. (2010). Devicephysics of dye solar cells. Advancedmaterials (Deerfield Beach, Fla.), 22(35), E210–34. doi:10.1002/adma.201000726

34. 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.

35. Pigmentos Naturales Narayan, M. (2012). Review: Dye sensitized solar cells based on natural photosensitizers. Renewable and Sustainable Energy Reviews (16), 208-215.

36. 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.

37. 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.

38. Pigmentos obtenidos de MO Ahmad, W. A., Wan Ahmad, W. Y., Zakaria, Z. A., & Yusof, N. Z. (2012). Application of BacterialPigments as Colorant. doi:10.1007/978-3-642-24520-6

39. (d) (a) (b) (c) 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.

40. (c) (d) (a) (b) 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.

41. (d) (a) (c) (b) 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.

42. (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.

43. EVALUACIÓN DE nuevos sustratos de tiO2, MODIFICADOS CON Cobalto COMO fotoCATALIZADORES EN LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENOColaboración: Dr. Esteban Durán, IQ-CELEQ

44. Agradecimientos • 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

45. Prototipos de Laboratorio • Preparación de los fotoánodos: corte, limpieza, secado • Preparación de contraelectrodos: huecos, corte, limpieza. • Electrodeposición de Pt en contraelectrodos • Aplicación de pasta en electrodos: DrBladding

46. Sinterizado • Inmersión en el tinte/limpieza

47. Pegado de electrodos • Llenado de electrolito

48. Sellado final de la celda • Pintura de Plata • Medición