El empleo de fuentes renovables de energía presenta un interés creciente a nivel mundial. El relativamente alto costo de las celdas solares convencionales ha imposibilitado su aplicación a mayor escala. Para que estas puedan competir con las fuentes no renovables de energía se hace imprescindible la disminución de los costos y/o el aumento de los niveles de eficiencia. Las celdas solares sensibilizadas son muy promisorias en esta dirección, pues alcanzan niveles de eficiencia de alrededor del 10% a un costo a muy inferior al de otras celdas de similar eficiencia. Cuando se usan puntos cuánticos como sensibilizadores aparecen ventajas adicionales respecto a cuando se usan colorantes orgánicos: a) la posición de los niveles energéticos que determinan el gap se puede cambiar controlando el tamaño de las partículas, b) los puntos cuánticos presentan un mayor coeficiente de extinción que los colorantes orgánicos y mayor momento dipolar por lo que tienen más potencialidades en la sensibilización, c) presentan la posibilidad de excitación múltiple, esto supone la posibilidad de alcanzar eficiencias cuánticas en la conversión fotoeléctrica superiores a uno. No obstante, las celdas sensibilizadas con puntos cuánticos hasta la fecha exhiben una eficiencia menor que la que se obtiene cuando se usan complejos de rutenio con ligantes orgánicos debido a la mayor rapidez en la recombinación superficial y a la poca estabilidad. Por esto en la actualidad se trabaja en los tratamientos superficiales de los fotoelectrodos y en la búsqueda de materiales con potencialidades ópticas y eléctricas que hayan sido poco estudiados en estos sistemas._x000D_ El presente proyecto persigue como objetivo fundamental la obtención y estudio de celdas solares sensibilizadas con puntos cuánticos de Bi2S3, CuO o BiFeO3 que usen como material soporte ZnO o Bi2O3 y que incluyan nanoestructuras plasmónicas de Ag que puedan mejorar la captura de radiación y/o el transporte electrónico. Además, se usarán recubrimientos con capas finas de ZnS y SiO2 en las porosidades internas de los fotoelectrodos (antes y/o después de la sensibilización), que serán útiles para desactivar los centros de recombinación superficial y darle mayor estabilidad a los mismos. Todos estos son materiales que se puede sintetizar a partir de sales que provienen de recursos minerales abundantes en México, por lo que resultan de bajo costo. Se presenta una metodología novedosa que permite obtener los materiales y dispositivos necesarios para el estudio y se cuenta con la infraestructura necesaria para la caracterización. Los resultados preliminares apoyan favorablemente esta propuesta.

En este proyecto se propone desarrollar celdas solares sensibilizadas con puntos cuánticos, hechas a base de materiales nanoestructurados (semiconductores y metales), no convencionales, los cuales se pueden sintetizar a partir de sales metálicas que provienen de recursos minerales abundantes en México. Se espera que los aspectos novedosos que se incluyen (se detalla a continuación) contribuyan al mejoramiento de la respuesta fotovoltaica de estos dispositivos._x000D_ Para cumplir con este propósito se utilizarán nanopartículas ZnO, Bi2O3 y TiO2 como material soporte en la preparación de los fotoelectrodos (el TiO2 será material de referencia por ser el más estudiado en la literatura, se encuentra muy disponible en el mercado a precios accesibles). En particular, el uso del ZnO y el Bi2O3 puede ser un recurso alternativo en el desarrollo de este tipo de celdas en países como México, y otros del llamado Tercer Mundo, donde los minerales asociados al titanio no son tan abundantes, en comparación con los asociados al zinc o al bismuto. Se cuenta con experiencia en la síntesis de nanopartículas estabilizadas de ZnO, Bi2O3 y TiO2 (y otros óxidos semiconductores)[28]; se utilizan métodos, simples, reproducibles, compatibles con el Medio Ambiente y de bajo costo. Al mismo tiempo, se emplearán puntos cuánticos de Bi2S3, BiFeO3 y CuO como sensibilizadores (también tenemos experiencia en su preparación) por sus potencialidades como materiales solares, por ser su obtención fácil y poco costosa, y por la abundancia en México de recursos a partir de los cuales se puede obtener. No obstante, no se descarta el ensayo con otros sulfuros u óxidos metálicos como sensibilizadores. Se evaluará la conveniencia de los cubrimientos de los fotoelectrodos, sensibilizados con Bi2S3, CuO o BiFeO3 con capas pasivantes de ZnS, TiO2 o SiO2. Así mismo, se estudiará el efecto de la inclusión de nanopartículas plasmónicas de Ag en la colección de radiación y en el transporte electrónico en los fotoelectrodos (se usarán nanopartículas de Pt como referencia). La mejora de la eficiencia en celdas sensibilizadas con colorantes orgánicos con la inclusión de nanopartículas metálicas ha sido observada[29], pero un estudio análogo con puntos cuánticos como sensibilizadores aun no ha sido realizado. En el grupo existe amplia experiencia en la preparación de coloides de Ag[28]. Es importante mencionar que las nanopartículas metálicas deberán se cubiertas por otro material (ZnS, TiO2 o SiO2) que las aísle del contacto directo con los electrolitos para evitar su corrosión. Finalmente, se estudiarán diferentes relaciones de concentración de electrolitos que contengan al par redox S-/Sx- o al I-/I3- con diferentes contraelectrodos (CoS, CuS, C, Pt), no se descarta el empleo de otros pares redox que presenten poca absorción de la radiación visible._x000D_ Los trabajos documentados en la literatura especializada, relativos a la sensibilización con puntos cuánticos de Bi2S3, CuO o BiFeO3 no son muy abundantes, pero indican que pueden presentar grandes potencialidades como sensibilizador si se logra controlar el tamaño de partícula, seleccionar adecuadamente un tratamiento superficial y el electrolito para la celda [23-27]. No obstante, la información de sistemas sensibilizados con Bi2S3, CuO o BiFeO3 y que incluyan nanopartículas metálicas es inexistente. La falta de estudios sobre estos sistemas también nos motiva a llevar a cabo esta propuesta._x000D_ En la Figura 1 (ver documento adjunto titulado Figura1.PDF) se presenta una fotografía de una celda montada en el laboratorio en un ensayo previo; es de TiO2 sensibilizado con puntos cuánticos de Bi2S3, contiene el par redox S/Sx- y no está sellada; además, un esquema de la estructura general de una celda sensibilizada que ilustra la configuración._x000D_ _x000D_ Figura 1. Fotografía de una celda montada en el laboratorio en un ensayo previo (a la izquierda); es de TiO2 sensibilizado con puntos cuánticos de Bi2S3, contiene el par redox S/Sx- y no está sellada; a la derecha, un esquema de la estructura general de una celda sensibilizada con puntos cuánticos._x000D_ _x000D_ Considerando los aspectos y antecedentes anteriormente expuestos, los principales aportes de nuestra propuesta se pueden resumir como sigue:_x000D_ • Aportar evidencias que caractericen al Bi2S3, al CuO y al BiFeO3 como puntos cuánticos sensibilizadores sobre soportes nanoestructurados de ZnO y Bi2O3, en celdas solares sensibilizadas._x000D_ • Inclusión de nanopartículas metálicas (Ag y Pt) en los fotoelectrodos para estudiar su influencia en la captura de luz por efectos plasmónicos y/o mejorar la extracción de electrones en el contacto trasero de los mismos._x000D_ • Estudiar si existe un efecto pasivador de nanoestructuras de ZnS y SiO2 en los fotoelectrodos mencionados en los puntos anteriores._x000D_ • Ensayar diferentes combinaciones de electrolitos que contengan al par redox S-/Sx- o al I-/I3- con diferentes contralectrodos (CoS, CuS, C, Pt)._x000D_