Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 3 (1): 10-22.
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Universidad Autónoma de Baja California ISSN 2594-1925
Volumen 1 (2): 45-48 Octubre-Diciembre 2018 https://doi.org/10.37636/recit.v124548
45
ISSN: 2594-1925
Ánodo de RE/TiO
2
nanoestructurado para celdas
solares sensibilizadas (DSSC)
RE/TiO
2
nanostructured cell anode sensitized solar (DSSC)
Ramírez Rosillo Daniel, Trujillo Navarrete Balter , Verjan González Víctor,
Félix Navarro Rosa María , Reynoso Soto Edgar Alonso
Centro de Graduados e Investigación en Química, Instituto Tecnológico de Tijuana, Boulevard Alberto
Limón Padilla y AV. ITR Tijuana s/n, Mesa de Otay, Tijuana, Baja California C.P. 22510, México.
Autor de correspondencia: Daniel Ramírez Rosillo, Centro de Graduados e Investigación en Química,
Instituto Tecnológico de Tijuana, Boulevard Alberto Limón Padilla y AV. ITR Tijuana s/n, Mesa de Otay,
Tijuana, Baja California C.P. 22510, México. E-mail: danielramirezrosillo@gmail.com.
Recibido: 30 de Junio del 2017 Aceptado: 15 de Noviembre del 2018 Publicado: 01 de Enero del 2018
Resumen. - Actualmente resulta inherente la obtención de energía de fuentes alternas y renovables, dentro
de estas, la energía solar se posiciona firmemente como una de las principales opciones para dar solución a
esta problemática. La tercera generación de celdas solares, las sensibilizadas con colorante (DSSC), ofrece
un amplio campo de oportunidad para la investigación. En este trabajo, se analiza el efecto, en el rendimiento
de la celda, de la modificación estructural del semicondutor (TiO
2
) y el dopaje con Neodimio. En tanto al
semiconductor se optó por llevar a cabo la síntesis del mismo sobre el vidrio conductor (FTO), que
posteriormente conformaría el foto-ánodo, con una estructura unidimensional (nano-varillas cristalinas de
dióxido de titanio en fase rutilo), recientes publicaciones han reportado las ventajas para transportar los
electrones de las mismas. Se ha decidido dopar las varillas con un elemento del grupo de los lantánidos, el
Neodimio, teniendo dos propósitos, por una parte, aumentar la inyección de electrones excitados, y de igual
forma, disminuir la tasa de recombinación del par electrón hueco dentro de la celda.
Palabras clave: Energías Alternas; Celdas Solares; Nano-varillas; Neodimio; Dióxido de Titanio.
Abstract. - At present, it is inherent to obtain energy from alternative and renewable sources, within these,
solar energy is firmly positioned as one of the main options to solve this problem. The third generation of
solar cells, sensitized with dye (DSSC), offers a wide field of opportunity for research. In this work, the effect
of the structural modification of the semiconductor (TiO
2
) and the doping with Neodymium in the cell
performance is analyzed. In the semiconductor, it was chosen to carry out the synthesis of the same on the
conducting glass (FTO), which would later conform the photo-anode, with a one-dimensional structure (nano-
crystalline rods of titanium dioxide in rutile phase), recent publications Have reported the advantages to
transport electrons from them. It has been decided to dope the rods with one element of the lanthanide group,
Neodymium, having two purposes, on the one hand, to increase the injection of excited electrons, and likewise,
to decrease the recombination rate of the electron pair hollow within the cell.
Keywords: Renewable Energy; Solar Cells; Nano-rods; Neodymium; Titanium Dioxide.
1. Introducción
Las empresas La falta de energía es una de las problemáticas que
definirán el destino de México y el mundo en el siglo que
comienza. Lo que hagamos o dejemos de hacer a partir de ahora
determinará nuestra capacidad para satisfacer los requerimientos
energéticos del país en el futuro [1]. Se proyecta que las reservas
de combustibles fósiles en todo el mundo sólo podrían durar 40
años para el petróleo, 60 años para el gas natural y 200 años para
el carbón [2].
Atendiendo a esta problemática, una opción viable son las celdas
solares (CS). Actualmente, se han desarrollado tres generaciones
de CS. Donde sobresalen las celdas solares sensibilizadas por
colorante (DSSC) de la última generación. Las cuales son un
convertidor de energía solar a electricidad de bajo costo y
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 1 (2): 45-48.
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ISSN: 2594-1925
eficiencia alta [3]. La investigación ha avanzado a un ritmo
rápido y se ha hecho una cantidad considerable de trabajo para
mejorar la eficiencia del dispositivo que va desde 7.1% en 1991
a 13% en 2014 [2]. Las investigaciones iniciales se centraron en
las nanopartículas de TiO
2
0-D (materia puntual) y mostraron
excelentes resultados en celdas solares debido a su gran área
superficial y a una brecha de banda ampliada. Desventajas tales
como recombinación rápida de electrones y agujeros,
transferencia de portadores de carga lenta y alto coste de reciclaje
[4]. Aunque actualmente se han llevado a cabo investigaciones
con estructuras 1-D, la motivación detrás de la síntesis de este
tipo de materiales viene del hecho de que su forma 1-D da lugar
a la aparición de nuevas propiedades ópticas y eléctricas que los
hacen aún más beneficiosos para el uso mencionado
anteriormente [5]. En este trabajo, nanovarillas de TiO
2
fase
rutilo fueron sintetizadas por el método hidrotérmico. Los
materiales sintetizados fueron caracterizados por espectroscopia
Raman, microscopia electrónica de barrido (SEM) y
espectroscopia dispersiva de energía (EDS). Aunado, las curvas
de corriente-voltaje permitieron conocer los parámetros
característicos de la DSSC.
2. Metodología
2.1 Síntesis de nanovarillas de TiO
2
La síntesis de los materiales de TiO
2
se llevó a cabo por el
método hidrotérmico, mismo que consiste en elevar la
temperatura de un sistema cerrado por encima del punto de
ebullición del solvente (agua), elevando la presión y facilitando
la interacción del solvente y el precursor. La proporción
agua/ácido clorhídrico (HCl, 37%) fue 1:1 (v/v) para obtener
condiciones súper ácidas. A la solución obtenida se agregó
isopropóxido de titanio (IV) (Ti [OCH (CH
3
)
2
]
4
, 99.9%) a
temperatura ambiente con agitación magnética constante durante
10 minutos. La adición de los dopantes se realizó disolviendo el
precursor de Nd (Nd (NO
3
)
3
6 H
2
O) manteniendo una agitación
constante. La suspensión resultante se transfirió a un vial de
teflón colocado dentro de una autoclave de acero inoxidable a
una temperatura de 150
o
C durante 2 horas. Previamente, se
colocó un soporte de vidrio (1.25 x 2) recubierto con una película
de conductor transparente de óxido de estaño (SnO
2
) dopado con
flúor (FTO) fueron comprados a Solaronix®. Donde, el área de
trabajo fue de 0.2 cm
2
. El resultado obtenido fue una película
sobre FTO que se dejó enfriar a temperatura ambiente. En el
proceso de síntesis la interfaz epitaxial del FTO puede favorecer
la formación de las nanovarillas, donde se irán depositando
cadenas de octaedros de TiO
6
, siendo naturalmente favorecida la
estructura rutilo. Para esta estructura la tasa de crecimiento es
mayor en la dirección (001), favoreciendo la formación de
cristales anisótropos sobre el eje c, exhibiendo facetas (110). La
presencia del ion Cl
-
en la solución restringe el crecimiento
ecuatorial de las facetas (110) actuando como un inhibidor [5, 6].
2.2 Fabricación de la celda
Los FTO recubiertos se utilizaron como fotoánodos. Estos se
sumergieron en el colorante di-tetrabutilamonio cis-bis
(isotiocianato) bis (2,2'-bipiridil-4,4'-dicarboxilato) rutenio (II)
(C
58
H
86
N
8
O
8
RuS
2,
N719) durante 24 horas. La sensibilización es
un paso importante del ensamble de la DSSC, ya que permite
ampliar el espectro de absorción se luz por parte del
semiconductor. Los fotocátodos se prepararon con una pasta
comercial a base de platino de nombre comercial PLASTISOL®.
A continuación, los fotoelectrodos se ensamblaron por medio de
un arreglo tipo “sándwich”. El electrolito de yoduro/triyoduro
(par redox, I
-
/I
3-
) fue inyectado para posteriormente sellarlas.
2.3 Caracterización
El análisis por medio de espectroscopia Raman se llevó a cabo
directamente sobre la superficie del vidrio conductor donde se
encontraba el material sintetizado. En un espectrómetro Thermo
Scientific® DXR SmartRaman. Se utilizó un SEM marca
Tescan® modelo Vega3, el cual permitió estudiar la morfología
de las Nv-TiO
2
,
dimensiones tales como espesor de la capa,
diámetro y espacio entre varillas. Finalmente, se realizó un
análisis elemental por EDS utilizando un detector de estado
sólido marca Bruker®, el cual se encuentra acoplado al SEM.
2.4 Caracterización electroquímica
La evaluación de la DSSC, se realizó en un
potenciostato/galvanostato (EC-Lab, VMP300). El cual fue
acoplado a un simulador solar Solar (Oriel, LCS-100) con
calibrador Newport bajo irradiación 100 mWcm
2
y un 1 sol de
distancia. Los parámetros analizados fueron la densidad de
corriente (J
sc
), potencial de circuito abierto (V
oc
), porcentaje de
eficiencia (n) y el factor de llenado (FF).
3. Resultados
En la Figura 1 se muestra el espectro Raman de los materiales
sintetizados. Donde los picos más prominentes están asociados a
tres de los cuatros modos activos en Raman para el TiO
2
fase
rutilo nanocristalino: 113 cm
-1
(B
1g
), 449 cm
-1
(E
g
) y 613 cm
-1
(A
1g
) (Típicamente 447 cm
-1
para E
g
y 612 cm
−1
para A
1g
),
expresados como B
1g
+ E
g
+ A
1g
[7, 8]
.
Los desplazamientos en
las bandas (con respecto a estudios similares) y el
ensanchamiento de los picos puede asociarse con modificaciones
en la morfología, tales como variaciones en el modo A
1g
asociado
al eje c y el modo B
1g
asociado con variaciones sobre el eje a [9].
Figura 1. Espectro Raman de las Nanovarillas de TiO
2
sobre el FTO mostrado los picos característicos de la
fase rutilo de la Titania.
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 1 (2): 45-48.
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ISSN: 2594-1925
La Figura 2 muestra las micrografías de SEM. Se puede observar
nanovarillas de TiO
2
que se han formado con orientación
perpendicular a la superficie. Esto verifica el crecimiento
unidimensional del material sobre el sustrato. Cabe mencionar
que se observa un crecimiento mínimo de nano flores.
Figura 2. Arreglo de nanovarillas de TiO
2
vista
superior (izq), longitud de una nanovarilla
aislada(der).
Figura 3. Espectro de EDS de las nanovarillas.
En la Tabla 1 se presentan los resultados de las mediciones
obtenidas del equipo de simulación solar: densidad de corriente
(J
sc
), potencial de circuito abierto (V
oc
), porcentaje de eficiencia
(n) y el factor de llenado (FF), donde n es uno de los parámetros
más importantes, ya que es la eficiencia de conversión
fotoeléctrica de la DSSC. Todas las mediciones se han realizado
considerando como estándar la energía solar superficial de
1000.0 W/m
2
, un área superficial de 0.20 cm
2
y un tiempo de 10
minutos.
Tabla 1. Medición de las DSSC.
Muestra
J
SC
(mA)
V
oc
(V)
FF (%)
Nv-TiO
2
0.154
0.655
---
Nv-TiO
2
(0.25% Nd)
0.139
0.673
---
Nv-TiO
2
(0.50% Nd)
0.115
0.657
81.4
Nv-TiO
2
(0.75% Nd)
0.189
0.664
41.8
Nv-TiO
2
(1.00% Nd)
0.027
0.643
51.4
El efecto del dopaje con Nd
3+
sobre el mismo y conservando la
morfología deseada del material, obteniendo como resultado la
mayor eficiencia en la muestra con un dopaje del 0.5 %. Uno de
los inconvenientes que ha presentado el material es la pobre
adsorción de colorante, atribuyendo a esto, una de las causas del
rendimiento pobre que ha presentado.
4. Conclusiones
Se sintetizó exitosamente un arreglo ordenado de nanovarillas de
TiO
2
fase rutilo en un área delimitada sobre un vidrio FTO, para
el ensamble de una DSSC. Existe un efecto significativo del
dopaje con Nd
3+
en el desempeño de la DSSC. Los hallazgos de
este estudio permitirán continuar con trabajos futuros que
involucren el uso de nanovarillas y material mesoporoso de TiO
2
.
Agradecimientos
Los autores desean agradecer al Instituto Tecnológico de Tijuana
por la investigación. La cual fue apoyada por el Departamento
de Educación Pública de México (SEP) a través del Programa de
Desarrollo Profesional Docente (PRODEP) (No. ITTIJ-PTC-
009).
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