Diseño conceptual y básico de un prototipo de celda solar híbrida, fabricada vía recubrimiento por inmersión

Conceptual and basic design of a prototype hybrid solar cell made via dip coating

En este artículo se presenta el diseño conceptual y básico de un prototipo de celda solar híbrida de tercera generación (TCO/TiO₂/QDs/orgánico tipo/M) en la cual los puntos cuánticos (QDs) son autogeneradores de pares electrón-hueco; el material tipo p es el transportador de huecos, y el TiO₂ es el transportador de electrones. El óxido conductor transparente (TCO) y el metal conductor (M), sonlos electrodos ánodo y cátodo respectivamente. El Diseño conceptual presentado se basó en la obtención de un prototipo eficiente, realizado mediante las etapas de: selección de QDs y su síntesis química;selección del material tipo-p; costos de inversión; y la validación de la técnica de auto-ensamble capa por capa vía recubrimiento por inmersión.Finalmente, la configuración de la celda resultante fue: FTO/TiO₂/QDs de CdSe/ tetraceno- PVK/Au, donde FTO es óxido de estaño flúor-dopado y PVK es Poli(9-vinilcarbazol).

1. Introducción

En este trabajo se diseñó en sus etapas conceptual y básica, un prototipo de celda solar híbrida de tercera generación: FTO/TiO₂/QDs de CdSe-MSA/ tetraceno-PVK/Au, partiendo del estudio detallado de un modelo anterior: FTO/TiO₂/QDs de CdSe-TGA/TFB/Au [1][2], donde TGA es ácido tioglicólico y TFB es poli(9,9-dioctil-fluoreno-coN-(4-butilenfenil) difenilamina). El objetivo fue cambiar la configuración en busca de una mayor eficiencia de conversión de energía solar en corriente eléctrica, y un menor costo de fabricación de la celda. En el modelo anterior que se menciona, se presentaba una baja eficiencia cuántica exter na (EQE = 2.2 %) debido a un bajo rendimiento cuántico (QY) de los QDs empleados y a la falla del polímero conductor de huecos (TFB) en la regeneración de los QDs después de la inyección de electrones dentro del TiO₂. Una prueba de la poca infiltración del polímero en las películas porosas fue una baja fotocorriente para capas más espesas de TiO₂/CdSe. Partiendo de dichas conclusiones, en el diseño del presente trabajo se proponen QDs y un material semiconductor tipo-p alternativos a los nanocristales de CdSe-TGA y al polímero TFB, respectivamente. El resto de los componentes de la celda se conservan, dejando el FTO y el Au como ánodo y cátodo respectivamente, y las nanopartículas de TiO₂ como medio de transporte de electrones en la banda de conducción. El principal aporte del nuevo diseño es la síntesis de QDs de alta calidad y la selección de un material semiconductor tipo-p (polímero molécula orgánica) con mejores características en separación de carga y transporte de huecos. Una vez fabricada la celda híbrida, un indicador de la efectividad del QD seleccionado será la extinción (“quenching”) de su actividad fotoluminiscente.

Respecto a la técnica de fabricación de películas híbridas QDs/TiO₂, las técnicas conocidas de Langmuir - Blodgett y de quimisorción desde una solución, solo pueden ser usadas con ciertas clases de moléculas. Entre las ventajas de la técnica de Langmuir - Blodgett está el alto orden morfológico y la homogeneidad sobre grandes áreas, sin embargo, esta técnica se descarta por completo ya que solamente moléculas ampifílicas pueden ser depositadas, y la configuración del montaje no es trivial.