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Dr. Leslie W. Pineda Escuela de Qumica - CELEQUniversidad de Costa Rica21 de agosto de 2013www.nanofem.ucr.ac.crCeldas solares que contienen tintes sensibilizantes para la produccin de energaTemas a desarrollar:Generalidades sobre el proyecto.

Aspectos generales sobre energa.

Descripcin de algunos sistemas nanoestructurados en energa.

Investigacin en sistemas nanoestructurados en la UCR.

2Informacin general del proyecto:Nombre del proyecto: Celdas solares que contienen tintes sensibilizantes para la produccin de energa

Participantes: Dr. Leslie W. Pineda (UCR), Dr. Carlos Meza (ITCR)Investigadores: Dra. Mavis Montero (UCR), Dr. Cristian Campos (UCR), Dr. Vctor Hugo Soto (UCR), Lic. Vctor Castro3Objetivo:Disear y caracterizar qumica y fsicamente celdas solares sensibilizadas con cromforos como antenas receptoras de la luz solar que contengan tintes naturales o complejos novedosos de rutenio.4Metodologa1. Preparacin de las componentes de una celda solar sensibilizada: fotonodo, sntesis de pasta nanomtrica de TiO2, preparacin de contraelectrodos, preparar electrolito.2. La sntesis de los complejos de rutenio se realizar mediante el uso de tcnicas Schlenk al hacer reaccionar las sales o compuestos precursores de rutenio con el ligando.

53. 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.

6Principales logros acadmicosTrabajo colaborativo con el Laboratorio de Sistemas Electrnicos para la Sostenibilidad (SESLab) del Instituto Tecnolgico de Costa Rica (ITCR).

7Mediciones con el simulador solar, SESLab, ITCREstablecimiento de un laboratorio de sistemas fotovoltaicos para el ensamblado y caracterizacin qumica y fsica, ubicado en el CELEQ.

8Potenciostato galvanostato utilizado en la caracterizacin de celdas solaresTambin, ha generado la preparacin de masa crtica en una temtica de gran relevancia para el pas. Rivera, C. M.; Tesis de Maestra en Qumica, Universidad de Costa Rica, 2012, Funcionalizacin de dixido de titanio nanoparticulado con diferentes molculas orgnicas bifuncionales y trmeros de compuestos de transicin para la obtencin de nuevos materiales.Daniela Camacho, Tesis de Licenciatura en Ingeniera Qumica, 2012, Evaluacin de varios sustratos modificados de dixido de titanio (TiO2) como fotocatalizadores para la produccin de hidrgeno a partir de la hidrlisis de agua.

9Karina Torres, Tesis de Licenciatura en Ingeniera Qumica, 2012, Caracterizacin de la eficiencia de tintes de celdas solares sensibilizadas.

Tesis en desarrollo:Andrea Soto Navarro, Tesis en Maestra Qumica, Evaluacin del funcionamiento de celdas solares de tercera generacin que poseen tintes sensibilizantes provenientes de microorganismos como receptores de fotones.

Natalie Flores Daz, Tesis de Licenciatura en Ingeniera Qumica, Determinacin de la eficiencia energtica de pigmentos de extractos naturales, pigmentos obtenidos mediante procesos biolgicos, y cosensibilizantes nanoparticulados de germanio en celdas solares sensibilizadas.

10Se ha dado a conocer la temtica de energa solar fotovoltaica al pblico en general.11Publicaciones y participacin en Congresos:

Torres, K.; Arrieta, J. P.; Torres, C. Q.; Montero, M. L.; Pineda, L. W. Revista Energa, 2011, 60, 69. (ISSN 1409-0155).Cinthya Rivera-Martnez, Cristian Sal Campos Fernndez, 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-Martnez, 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 Electroqumica (SIBAE 2010), Alcal de Henares, Madrid, Espaa, modalidad poster.

15Algunas definiciones importantesEnerga, es la capacidad de un sistema de realizar trabajo.

Cadena en la transformacin de la energa:Energa primaria: contenido de energa sin transformar.Energa secundaria: transformacin de la energa primaria (gasolina, kerosene, etc).Energa final: destino el usuario.

16Aspectos relevantesEl gran desafo de producir energa. Consumo global de energa para el ao 2000 corresponde a 13 TW. Se estima para el ao 2050 correspondera a 28 TW.

Fin de la disponibilidad de petrleo barato. Nuevos consumidores con poder adquisitivo.

Emisiones de gases de efecto invernadero. Aumento de los niveles de CO2 de 280 ppm a 380 ppm.

17El uso de tecnologas energticas no sostenibles ha ocasionado una excesiva emisin de dixido de carbono.

Utilizacin de fuentes de energa escasas y ubicadas slo en ciertas regiones del planeta, genera inestabilidad social, econmica y poltica a nivel global.

18Lo anterior crea dependencia energtica y econmica poco ventajosa.

El uso de tecnologas energticas sostenibles implica no slo una accin amigable con el ambiente, sino tambin una forma de asegurar la independencia energtica y econmica de una regin.

19Una fuente de energa sostenible est determinada principalmente por dos factores:

El tiempo de amortizacin.

Cantidad de subproductos contaminantes asociados con su manufactura y operacin.

20Destaca Thomas A. Edison, en 1931, a sus amigos Henry Ford y Harvey Firestone:Yo pondra mi dinero en el Sol y la energa solar. Qu fuente de poder! Espero que no tengamos que esperar a que el petrleo y el carbn se agoten antes de abordar eso21Energa Solar1.7x105 TW provenientes del sol en la atmsfera terrestre.Aproximadamente 600 TW llegan a la superficie terrestreCeldas solares de 10% de eficiencia podran 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), 65956663.

22El sol emite luz desde el UV-Vis hasta IR. Longitudes de onda recibidas en la superficie dependen de absorcin atmosfrica y posicin del sol. El O3 atmosfrico absorbe luz UV, y el H2O y CO2 absorben en el IR. Cuando el cielo se encuentra despejado y el sol est en su posicin ms alta, se obtiene el camino ms corta de la luz a travs de la atmsfera, Air Mass (AM):

el ngulo de elevacin del sol.

(Hagfeldt et al, 2010)

23El espectro solar estndar utilizado para la medicin de la eficiencia en celdas solares es AM 1.5 G (global), con lo que se tiene un ngulo de elevacin del sol de 48. Este espectro est normalizado de forma que la irradiancia integrada sea de 1000 W m-2. (Hagfeldt et al, 2010). 24

Relevancia de investigaciones en energa solar para Costa RicaTipos de energa utilizadas

ConsumoImportacin total de los combustibles fsiles que se consumenAl 2010 el 70% como productos terminados, refinera limitada para el consumo del pas

MINAET - Direccin Sectorial de Energa. VI Plan nacional de Energa 2012-2030. 25Relevancia de investigaciones en energa solar para Costa RicaRadiacin solar en el pas

Heinrich, K. B.; Pacheco, R. C.; Solera, M. F.; Alfaro, M. H. Series de brillo Solar en Costa Rica. Ministerio del Ambiente Energa y Telecomunicaciones-Instituto Metereolgico Nacional. 2010.26 1) Celdas fotogalvnicas.Celdas solares: 2) Celdas basadas en semiconductores. 3) Celdas fotoelectroqumicas de unin lquida.

27Celdas de Primera GeneracinMateriales altamente puros, con la menor cantidad de defectos estructurales posibles.Mayor conversin de energa con respecto a las otras celdas fotovoltaicas.Altos costos de produccin y a la gran cantidad de energa que utiliza para ello, el costo por W pico (wp) es muy alto. Uniones n-p de Si monocristalino. (Kalyanasundaram, 2010)28Celdas de Segunda Generacin Tcnicas de preparacin intensiva y de baja energa como deposicin con vapor y galvanoplastia. Su eficiencia energtica es menores a las de primera generacin. Casi todas las celdas fotovoltaicas de capa fina caen dentro de esta categora: Si policristalino, CdTe, Cd-In-Ga-Se (CIGS), etc., ya sean multicristalinos o amorfos. (Kalyanasundaram, 2010)

29Celdas de Tercera GeneracinSe clasifican como:

Aquellas que tienen potencial para obtener valores de eficiencia mayores al lmite de Shockley-Queisser.

2) Aquellas que logren costos menores a 0,5$/Wp.30

Primera Generacin: Paneles de Silicio monocristalino.Segunda Generacin: Paneles de capa delgada, Si policristalino y amorfo, CIGS (cobre, indio, galio, selenio), CdSe, entre otras

Tercera Generacin : Sensibilizadas, orgnicas, ETA 31

Celdas solares sensibilizadas con tintes (DSSC)Desarrolladas por Michael Grtzel y Brian OReagan en Suiza en 1991.Han alcanzado hasta un 12% de eficiencia en investigaciones recientes.El fotonodo es un semiconductor transparente de banda prohobida ancho, en una red de molculas nanomtricas; un tinte sensibilizante que se ancla al semiconductor, un electrolito que regenera al tinte, un catalizador en el ctodo.O'Regan, B., & Grtzel, M. (1991). A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye sensitized colloidal TiO2 films. Nature (353), 737-740.

32Halme, J., Vahermaa, P., Miettunen, K., & Lund, P. (2010). Device physics of dye solar cells. Advanced materials (Deerfield Beach, Fla.), 22(35), E21034. doi:10.1002/adma.201000726

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Ventajas DSSCBajos costos de produccin, y costos de inversin mucho menores que para las otras tecnologas existentes.Variedad en el diseo, como transparencia, mltiples opciones de color, etc.Flexibilidad y ligerezaMejor desempeo en condiciones reales (luz difusa) que las celdas de primera y segunda generacin.

34Pigmentos NaturalesNarayan, 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 cunticos (QD)Los QD ms 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%.

Rhle, S., Shalom, M., & Zaban, A. (2010). Quantum-Dot-Sensitized Solar Cells. ChemPhysChem , 11, 2290-2304.

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Pigmentos obtenidos de MO38

Ahmad, W. A., Wan Ahmad, W. Y., Zakaria, Z. A., & Yusof, N. Z. (2012). Application of Bacterial Pigments as Colorant. doi:10.1007/978-3-642-24520-639

Figura 1. Fotografa 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. (a)(b)(c)(d)40

Figura 2. Fotografa 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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Figura 3. Fotografa 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.

(a)(b)(c)(d)42

Figura 4. Fotografa 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.

(a)(b)(c)(d)EVALUACIN DE nuevos sustratos de tiO2, MODIFICADOS CON Cobalto COMO fotoCATALIZADORES EN LA PRODUCCIN DE HIDRGENO

Colaboracin: Dr. Esteban Durn, IQ-CELEQ

43AgradecimientosCONARE-FEESUniversidad de Costa RicaVicerrectora de InvestigacinEscuela de QumicaCELEQMICIT-CONICITFlorida Ice and FarmDr. Vctor H. Soto Tellini, Escuela de QumicaDr. Esteban Durn, Ingeniera QumicaLic. Vctor Castro, CIPRONADr. Adrin Pinto, M.Sc. Catalina Murillo, CIEMICDr. Thomas Moehl, EPFL, Suiza44Prototipos de LaboratorioPreparacin de los fotonodos: corte, limpieza, secadoPreparacin de contraelectrodos: huecos, corte, limpieza.Electrodeposicin de Pt en contraelectrodos

Aplicacin de pasta en electrodos: Dr Bladding

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Sinterizado

Inmersin en el tinte/limpieza

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Pegado de electrodos

Llenado de electrolito

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Sellado final de la celda

Pintura de Plata

Medicin

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