CELDAS DE OXIDO DE TITANIO

Antecedentes
En el año 1991, el profesor Michael. Gräetzel y colaboradores provocaron una revolución en la utilización de celdas fotoelectroquímicas para la conversión de energía solar en electricidad. Utilizaron un electrodo poroso de TiO2 nanocristalino que recubrieron con una monocapa de un compuesto orgánico con rutenio que actúa como sensibilizador. Esta monocapa, a diferencia del TiO2, escapaz de absorber un rango amplio del espectro solar y a partir del estado excitado transferir electrones hacia el TiO2. El electrolito utilizado contiene el par redox I−/I3− en un solvente orgánico. Han logrado eficiencia de conversión mayor que 10%, a un costo muy inferior al de otros dispositivos fotovoltaicos de similar eficiencia. En estas celdas, a diferencia de las celdas sólidas, es devital importancia para su buen funcionamiento que la estructura del fotoelectrodo de TiO2 sea porosa y formada por partículas con dimensiones lineales del orden de los nanómetros interconectadas entre sí. Pues, aunque esta estructura puede dificultar el transporte de los portadores, permite que una mayor área sea sensibilizada y por tanto una mayor absorción de la luz visible por parte de lamonocapa de colorante. Se permite solo el espesor de una monocapa para garantizar la inyección del electrón excitado en el colorante al TiO2 al cual se encuentra unido.

Celdas tipo Gräetzel
Las celdas solares conocidas como DSSC (dye sensitized solar cell) son muy estudiadas actualmente debido a su gran potencialidad. Su principio de funcionamiento, no completamente claro aún, se basa en la difusiónde portadores mayoritarios debido al gradiente de concentración de los mismos que la luz genera y a las posiciones relativas de los niveles energéticos en los distintos componentes de esta celda solar.

Resumen de magnitudes que caracterizan al TiO2
Estructura Cristalina: Anatasa
Películas policristalinas, nanoestructuradas, etc.
Tamaño de grano 5-13 nm.
T (65% prom.), R (26% prom.), α,(d = 0.2 µ)
EgInd = 3.28 eV
σosc= 4x10-7 (Ohm-cm)-1
σluz =1x10-3 (Ohm-cm)-1
Fotosensitividad máxima S= 104








Eficiencias en Celdas Solares de TiO2 sensibilizadas


Electrolito líquido
η = 11%
Voc = 0.8 V
Jcc = 16.7 mA

Estado sólido
η = 6.1%
Voc = 0.866 V
Jcc = 7.7 mA

 Al llegar la luz al colorante S éste tiende a excitarse de tal manera que presenta lafacilidad de perder un electrón y donarlo a alguien que lo acepte.
TiO2|S + hv → TiO2|S*
TiO2|S* → TiO2|S+ + e-
Al cerrar el circuito el colorante recupera su electrón
TiO2|S+ + e- → TiO2|S
Junto a la matriz nanoporosa, se deposita un electrolito que puede ser Yoduro o bien algún otro que presente facilidad para recibir el electrón que donaría el colorante excitado S.
TiO2|S+ + 3/2I- → TiO2|S+ 1/2 I3-
I3- + 2e- → 3I- 
S+ + I-   →S + I. (Radical)
2I. → I2
I2 + I- → I3-

Análogo a los colorantes naturales compuestos órgano metálicos con dobles enlaces de por medio son candidatos susceptibles para usarse como iniciadores de la reacción fotoquímica. Un complejo basado en porfirina  ha sido utilizado como colorante sintético para celdas transparentes. Un complejo de Rutenio viene reportadaen una publicación como alternativa y ha dado buenos resultados en la eficiencia. El electrodo final tiene que facilitar la transferencia electrónica en algunos casos se reporta como oro pero también el grafito como uno de los empleados. 

La celda solar consta en su construcción de varias capas, sobre el vidrio una capa conductora para formar los electrodos, en uno de los electrodos una capa deóxido de titanio donde se coloca el tinte, en el otro electrodo se agrega una capa de grafito para mejorar por diferencia de potencial electroquímico el funcionamiento de la celda, entre la capa de grafito y la del colorante se agrega el electrolito.

Capas con las que está construida la Celda Solar

Construcción de la celda
En las siguientes líneas se describe parte de la experiencia en...