Realización de una célula fotoquímica de bajo coste

Transcripción

Realización de una
célula fotoquímica de
bajo coste
Autor: Daniel Morata García
Profesor: Jordi Sellarès
31/05/2010
2
INDICE
1.
INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 5
1.1 JUSTIFICACIÓN .................................................................................................... 6
1.2 ANTECEDENTES ................................................................................................. 10
1.2.1 Célula fotovoltaica ..................................................................................... 10
1.2.2 Célula fotoquímica .................................................................................... 15
1.3 OBJETIVOS ....................................................................................................... 17
1.4 ALCANCE ......................................................................................................... 18
1.5 DISEÑO PRELIMINAR ........................................................................................... 19
2.
METODOS ............................................................................................................ 21
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
2.6.
2.7.
2.8.
3.
RESULTADOS ........................................................................................................ 33
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
3.6.
3.7.
4.
GENERADOR FOTOVOLTAICO................................................................................. 34
RESULTADOS DEL PRIMER DISEÑO........................................................................... 37
COMPARACIÓN DE DOS CÉLULAS IDÉNTICAS .............................................................. 39
COMPARACIÓN CON EL FOTODIODO........................................................................ 42
INTRODUCCIÓN DEL BIAS .................................................................................... 46
PRUEBA CON OTRO COLORANTE............................................................................. 49
DEGRADACIÓN DE LA CÉLULA ................................................................................ 52
COMENTARIOS FINALES ....................................................................................... 58
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
4.5.
4.6.
5.
CONSTRUCCIÓN DE LA PRIMERA CÉLULA FOTOQUÍMICA................................................ 22
CONSTRUCCIÓN DEL PRIMER UTILLAJE ..................................................................... 28
CONSTRUCCIÓN DE DOS CÉLULAS IDÉNTICAS ............................................................. 29
CREACIÓN DE LA CAPA DE TIO2 MÁS FINA ................................................................ 29
INTRODUCCIÓN DEL FOTODIODO ............................................................................ 29
CONSTRUCCIÓN DEL SEGUNDO UTILLAJE .................................................................. 30
COMPARACIÓN DE DIFERENTES COLORANTES ............................................................ 32
DEGRADACIÓN DE LA CÉLULA ................................................................................ 32
PLAN DE TRABAJO .............................................................................................. 59
LISTA DE MATERIALES .......................................................................................... 59
PRESUPUESTO ................................................................................................... 60
OBJETIVOS REALIZADOS ....................................................................................... 61
CONCLUSIONES ................................................................................................. 61
MEJORAS FUTURAS ............................................................................................ 63
BIBLIOGRAFIA ...................................................................................................... 64
3
AGRADECIMIENTOS .................................................................................................... 66
A.
ANEXOS ............................................................................................................... 67
TABLAS DE SEGURIDAD DE LOS PRODUCTOS UTILIZADOS ......................................................... 68
DATASHEET LM741 .................................................................................................. 89
DATASHEET FOTODIODO ......................................................................................... 98
4
1. INTRODUCCIÓN
5
1.1 Justificación
La energía solar fotovoltaica, al igual que otras energías renovables, constituye, frente
a los combustibles fósiles, una fuente inagotable, contribuye al autoabastecimiento
energético nacional y es menos perjudicial para el medio ambiente, evitando los
efectos de su uso directo (contaminación atmosférica, residuos, etc.) y los derivados
de su generación (excavaciones, minas, canteras, etc.).
Los efectos de la energía solar fotovoltaica sobre los principales factores ambientales
son los siguientes:
Clima: la generación de energía eléctrica directamente a partir de la luz solar no
requiere ningún tipo de combustión, por lo que no se produce polución térmica ni
emisiones de CO2 que favorezcan el efecto invernadero.
Geología: Las celdas fotovoltaicas se fabrican con silicio, elemento obtenido de la
arena, muy abundante en la naturaleza y del que no se requieren cantidades
significativas. Por lo tanto, en la fabricación de los módulos fotovoltaicos no se
producen alteraciones en las características litológicas, topográficas o estructurales del
terreno.
Suelo: al no producirse ni contaminantes, ni vertidos, ni movimientos de tierra, la
incidencia sobre las características físico-químicas del suelo o su erosionabilidad es
nula.
Aguas superficiales y subterráneas: No se produce alteración de los acuíferos o de las
aguas superficiales ni por consumo, ni por contaminación por residuos o vertidos.
Flora y fauna: la repercusión sobre la vegetación es nula, y, al eliminarse los tendidos
eléctricos, se evitan los posibles efectos perjudiciales para las aves.
Paisaje: los paneles solares tienen distintas posibilidades de integración, lo que hace
que sean un elemento fácil de integrar y armonizar en diferentes tipos de estructuras,
6
minimizando su impacto visual. Además, al tratarse de sistemas autónomos, no se
altera el paisaje con postes y líneas eléctricas.
Ruidos: el sistema fotovoltaico es absolutamente silencioso, lo que representa una
clara ventaja frente a los generadores de motor en viviendas aisladas.
Medio social: El suelo necesario para instalar un sistema fotovoltaico de dimensión
media, no representa una cantidad significativa como para producir un grave impacto.
Además, en gran parte de los casos, se pueden integrar en los tejados de las viviendas.
Por otra parte, la energía solar fotovoltaica representa la mejor solución para aquellos
lugares a los que se quiere dotar de energía eléctrica preservando las condiciones del
entorno; como es el caso por ejemplo de los Espacios Naturales Protegidos
Unos de los principales inconvenientes de las células fotovoltaicas convencionales es
que necesitan de una gran inversión inicial para poder realizar una instalación y poder
generar energía eléctrica.
Esto es debido a los materiales con los que están
construidas.
Otro problema de las células fotovoltaicas es el tiempo en que se recupera la inversión.
Este puede oscilar entre 20 y 30 años dependiendo del volumen de la instalación.
En los paneles fotovoltaicos se consigue una buena fiabilidad junto a una larga vida útil
que puede ser de unos 30 años ya que hay que tener en cuenta que los paneles
carecen de partes móviles y que las células están encapsuladas.
Aunque las células fotoquímicas no tengan una larga vida útil como las células
fotovoltaicas una de las razones por la cual es interesante la realización de la célula
fotoquímica es por su bajo coste, ya que los materiales con los que está construida son
fáciles de conseguir y muy baratos. En la actualidad hay procesos industriales en los
que se requiere de estos materiales como por ejemplo el dióxido es estaño (SnO 2), el
dióxido de titanio (TiO2) y el colorante.
7
El dióxido de titanio es la principal fuente comercial del titanio. Aproximadamente el
95% del titanio que se consume lo hace en forma de dióxido de titanio, debido a las
múltiples aplicaciones industriales que tiene.
o
Los pigmentos de dióxido de titanio se utilizan principalmente en la producción
de pinturas y plásticos, así como en papel, tintas de impresión, cosméticos,
productos textiles, farmacéuticos y alimentarios. El dióxido de titanio es el
pigmento más habitualmente utilizado en el mundo, que proporciona a los
productos finales una brillante blancura, opacidad y protección
o
En el sector de las artes gráficas (impresión) donde se opera con espesores de
recubrimientos de menos de 0,01 milímetros, se utilizan pigmentos de dióxido
de titanio muy finos.
o
También tiene aplicaciones en las fibras sintéticas, eliminando la apariencia
grasosa causada por las propiedades translúcidas de la resina. Los pigmentos
de anatasa son preferidos en esta aplicación.
o
Otras áreas de aplicación del dióxido de titanio incluyen la industria cerámica,
la manufactura de cemento blanco y el coloreado de hule o linoleo, Los
pigmentos de dióxido de titanio también se utilizan como absorbentes de rayos
UV en productos para el bronceado, jabones, polvos cosméticos, cremas, pasta
de dientes, papel de cigarro y la industria cosmética.
o
El dióxido también se ha empleado como agente blanqueador y opacador en
esmaltes de porcelana, dando un acabado final de gran brillo, dureza y
resistencia al ácido un pigmento blanco permanente que se emplea en
pinturas, papel y plásticos, asimismo tiene una amplia gama de aplicaciones en
la industria química en general.
8
El dióxido de estaño
o
Se usa como revestimiento protector del cobre, del hierro y de diversos metales
usados en la fabricación de latas de conserva.
o
Su uso también es de disminuir la fragilidad del vidrio.
o
Los compuestos de estaño se usan para fungicidas, tintes, dentífricos (SnF2) y
pigmentos.
o
Se usa para hacer bronce, aleación de estaño y cobre.
o
Se usa para la soldadura blanda, aleado con plomo.
o
Se usa en aleación con plomo para fabricar la lámina de los tubos de los órganos
musicales.
o
En etiquetas
o
Recubrimiento de acero.
El colorante se puede encontrar fácilmente en la naturaleza porque se pueden utilizar
diferentes tipos, ya sea el zumo que desprende la frambuesa, el de arándanos, clorofila
o incluso una infusión de te rojo.
La idea con la que se ha realizado este proyecto no ha sido la de mejorar las actuales
células fotovoltaicas sino la de introducir la célula fotoquímica y poder ver algunas
diferencias entre ellas.
9
1.2 Antecedentes
1.2.1 Célula fotovoltaica
La célula solar es un dispositivo semiconductor capaz de convertir los fotones
procedentes del Sol en electricidad de una forma directa e inmediata. Esta conversión
se conoce con el nombre de efecto fotovoltaico.
Las células solares tienen muchas aplicaciones. Son particularmente interesantes y
han sido históricamente utilizadas para producir electricidad en lugares donde no llega
la red de distribución eléctrica, tanto en áreas remotas de la Tierra como del espacio,
haciendo posible el funcionamiento de todo tipo de dispositivos eléctricos como
satélites de comunicaciones, radioteléfonos o bombas de succión de agua.
Ensambladas en paneles o módulos y dispuestas sobre los tejados de las casas, por
medio de un inversor, pueden inyectar electricidad generada en la red de distribución
para el consumo, favoreciendo la producción global de energía primaria de un país, de
manera limpia y sostenible.
Historia de las células solares fotovoltaicas
El término fotovoltaico viene del griego (luz) y del nombre del físico italiano Volta, de
donde proviene también voltio y voltaje. Literalmente significa luz y electricidad.
El efecto fotovoltaico fue atribuido por primera vez, en 1839, al físico francés
Alexandre-Edmond Becquerel, sin embargo, no fue hasta 1883 cuando Charles Fritts
construyó la primera célula fotovoltaica, recubriendo un semiconductor de selenio por
una fina capa de oro, formando las primeras uniones p-n. Este pequeño dispositivo
sólo tenía una eficiencia del 1%. Russell Ohl patentó la moderna célula solar en 1946.
10
Electrones y huecos
Como sabemos, la materia está compuesta por átomos, los cuales a su vez están
formados por dos partes bien diferenciadas: el núcleo, dotado de carga eléctrica
positiva y los electrones, que giran alrededor del núcleo en diferentes bandas de
energía, con carga negativa que compensa a la del núcleo. Este conjunto, en
condiciones normales, se mantiene estable y es eléctricamente neutro.
A los electrones de la última capa se les ha dado el nombre de electrones de valencia y
tienen la característica de poder relacionarse con otros similares, formando una red
cristalina. En base al comportamiento de los electrones de esta última capa, se puede
hacer una división de los materiales eléctricos en: conductores, semiconductores y
aislantes.
Cuando un fotón choca contra un trozo de silicio pueden pasar tres cosas:
o
El fotón atraviesa el silicio y sigue su camino.
o
El fotón es reflejado por la superficie de silicio.
o
El fotón es absorbido por el silicio. Esto ocurre cuando la energía del fotón es
similar a la energía que liga a los electrones de valencia con el núcleo.
En este último caso, el fotón cede su energía al electrón y puede romper el enlace que
le vincula al núcleo, quedando libre para circular por el semiconductor. El lugar dejado
por el electrón se llama hueco y tiene carga positiva (igual a la del electrón pero de
distinto signo). Estos huecos también se desplazan, ya que el electrón liberado es
susceptible de caer en un hueco próximo. Este fenómeno de que un electrón ocupe la
posición dejada por otro, se conoce con el nombre de recombinación.
11
Cuando la luz solar bombardea con fotones la superficie de un semiconductor, los
pares de electrones-huecos creados se desplazan hacia zonas no iluminadas donde se
recombinan y estabilizan al perder actividad. Sin embargo al moverse ambos en la
misma dirección, no se produce corriente eléctrica. Para que se produzca una corriente
eléctrica es necesario que los electrones-huecos se muevan en direcciones opuestas.
Esto se puede conseguir creando un campo eléctrico en el interior del semiconductor.
La región n y la región p
Existen varias formas de crear un campo eléctrico en el interior de un semiconductor,
casi todas ellas se basan en el potencial de contacto y la afinidad que ciertos
materiales tienen por los electrones. En las células solares, lo que se suele hacer es
unir dos regiones del silicio que han sido tratadas químicamente de forma diferente.
Una de las regiones, la denominada n ha sido dopada, impurificada con fósforo u otro
material. Este material tiene 5 electrones de valencia, uno más que el silicio, de modo
que esta región muestra una afinidad por los electrones menor que el silicio.
12
La otra región, denominada p, ha sido dopada con boro u otro material. Este material
tiene sólo tres electrones de valencia, por lo que su afinidad para captar electrones es
mayor que la del silicio puro.
Si unimos estas dos regiones, la unión p-n así formada presenta una diferencia de
potencial que hace que los electrones liberados vayan hacia la zona p y los huecos
hacia la zona n, produciéndose una corriente eléctrica.
13
14
1.2.2 Célula fotoquímica
Una célula solar sensibilizada por colorante (Dye-sensitized solar cell o DSSC) es una
nueva célula solar de bajo coste y pertenece al grupo de células solares de película fina
o de tercera generación.
Esta célula fue inventada por Michael Gräetzel y Brian O’Reagan en la Escuela
Politécnica Federal de Lausanne (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) en 1991 y
también se conoce como célula Graetzel.
La célula solar Graetzel produce electricidad mediante un principio foto-electroquímico, cambiando la energía luminosa en energía eléctrica. Se trata de una
aplicación de la Biónica, cuya función también se denomina celda electroquímica de
color.
Esta célula pudo ser construida con materiales de bajo coste y con un proceso de
fabricación muy simple.
La estructura de la célula consiste en dos electrodos planos (electrodo simple y
electrodo compuesto) y un tinte que genera electrones al contacto con la luz. El
electrodo simple es básicamente un vidrio eléctricamente conductor y el electrodo
compuesto está construido de nanocristales de dióxido de titanio (TiO 2) depositado en
un vidrio conductor.
El principio de funcionamiento de la célula es el siguiente: la luz solar pasa a través de
electrodo simple y el tinte impregnado en el electrodo compuesto absorbe la luz.
Cuando una molécula de tinte absorbe la luz, un electrón pasa a tener un estado
excitado y puede saltar desde el tinte a la banda de conducción del TiO2. En el
electrodo compuesto el electrón se difunde desde el TiO2 hacia el vidrio conductor.
Desde allí el electrón es llevado hacia el electrodo simple mediante un cable. Después
de haber perdido un electrón, la molécula del tinte se encuentra oxidada, es decir,
tiene un electrón menos. La molécula del tinte recupera su estado inicial cuando el
15
electrón es reinyectado a través del electrodo simple. De esta manera el proceso se
transforma en un ciclo que genera corriente eléctrica.
16
1.3 Objetivos
En el presente proyecto se pretende elaborar una célula fotovoltaica de tercera
generación (célula fotoquímica o de Gräetzel) para su posterior estudio.
Se estudiarán los materiales con los que está compuesta y se comprobará como éstos
son fáciles de obtener ya que en la industria actual hay procesos que necesitan de
estos materiales. También se podrá ver como estos materiales son accesibles a un bajo
precio.
Se pondrán a punto una serie de técnicas para la realización y caracterización de las
células.
También se dará mucha importancia a los temas relacionados con la seguridad, ya que
para la construcción de la célula se necesitan productos químicos y se verá cómo
tratarlos.
Se realizará la construcción de varias células fotoquímicas intentando construir una
capa de dióxido de titanio los más fina y uniforme posible.
Se probarán diversos colorantes y se compararán entre ellos para ver como varía el
rendimiento de las células.
Se realizará el electrolito y se comprobará la duración y el rendimiento de la célula en
función de la degradación de éste.
Una vez la célula esté construida se evaluarán los resultados de ésta.
Se participará en las jornadas internacionales del sol y viendo SUNDWIN 2010 en el
campus de Terrassa para la divulgación de este proyecto.
En general con este proyecto no se quiere mejorar el rendimiento de las actuales
células fotovoltaicas sino introducir la célula fotoquímica y estudiarla desde diferentes
perspectivas. Lo que se pretende es desarrollar una metodología para que en el futuro
se puedan realizar estudios más innovadores.
17
1.4 Alcance
En el presente proyecto se realizará la construcción de varias células fotoquímicas de
bajo coste y se verá cómo se pueden construir de una manera sencilla. Los principales
temas a estudiar serán los electrodos transparentes, el electrolito y el colorante.
Para empezar hay que mirar la ficha de seguridad de los materiales adquiridos (adjunta
en el anexo I) porque son productos químicos y pueden llegar a ser perjudiciales para
las personas que los manipulen.
Para la construcción de las células se utilizaron guantes de vinilo, gafas de protección y
mascarilla, según la recomendación de las fichas se seguridad.
Se realizará la construcción de diversas células con diferentes acabados, como por
ejemplo diferentes capas de TiO2, diferentes electrolitos, etc. para poder estudiarlas y
compararlas entre ellas y también compararlas con un fotodiodo.
Se construirán dos utillajes, uno para poder obtener valores de una forma más sencilla
y después caracterizar las células fotoquímicas, y otro para poder leer valores de
tensión en función de la intensidad que da la célula.
Con estos utillajes construidos se caracterizarán las células y se obtendrán valores para
poder estudiarlas y llegar a algunas conclusiones.
También se divulgará en el Campus de Terrassa los resultados obtenidos.
18
1.5 Diseño preliminar
Para empezar en la literatura hace mención de los productos con los que vamos a
tratar y para la realización del proceso del TiO 2 aconseja llevar máscara, gafas de
seguridad y guantes.
Según la literatura para la realización de la célula fotoquímica se necesita que las
partículas de dióxido de titanio (TiO2) sean lo más pequeñas posibles para maximizar el
área y para que las reacciones ocurran de manera más rápida. Por esto aconseja antes
de empezar el proceso machacar el dióxido de titanio.
Una vez hecho esto, hay que poner el dióxido de titanio (TiO 2) sobre la parte
conductora del vidrio, expandirlo y ponerlo en el mechero bunsen durante unos 15
minutos a unos 450oC.
El siguiente paso es colorear el dióxido de titanio con el tinte natural: colorear el lado
blanco de la placa de vidrio cubierta de dióxido de titanio (TiO2). Este vidrio ha sido
previamente recubierto de una capa conductiva transparente (SnO 2), y depositada una
película porosa de TiO2. Zarzamoras machacadas (frescas o congeladas), frambuesas,
semillas de granada, o té rojo en un cucharón de agua. Remojar la película por 5
minutos en un líquido para que ésta se coloree hasta alcanzar un color rojo púrpura
intenso. Si ambos lados de la película no están uniformemente coloreados, entonces
se debe colocar nuevamente en el jugo por 5 minutos más. Lavar la película con etanol
y secar suavemente con una tela absorbente.
Seguidamente hay que recubrir el contraelectrodo: La célula solar necesita una placa
positiva y una placa negativa para su funcionamiento. Al electrodo positivo se le llama
contraelectrodo, el cual, se forma con un substrato de vidrio con una capa conductora
de SnO2. Para identificar el lado conductor del vidrio puede utilizarse un multímetro.
Hay que aplicar una capa delgada de grafito (carbón catalítico) sobre el lado conductor
de la placa.
19
El último paso es añadir el electrolito y ensamblar la célula solar: La solución de yoduro
sirve de electrolito en la célula solar para cerrar el circuito y para regenerar la tintura.
Colocar la placa coloreada de tal forma que el lado recubierto por la película este en
alto, después poner una o dos gotas de la solución de yoduro sobre la parte coloreada
de la película. Entonces hay que colocar el contraelectrodo encima de la película
coloreada para que el lado conductor del éste quede sobre la película. Balancear las
placas para que los bordes de cada placa queden expuestos. Estas servirán de punto de
contacto para los electrodos negativo y positivo de tal forma que podamos extraer la
electricidad y probar el funcionamiento de la célula solar.
Finalmente hay que utilizar dos pinzas para mantener juntos los dos electrodos en las
esquinas de las placas.
20
2. METODOS
21
2.1. Construcción de la primera célula fotoquímica
Para empezar con el proceso se puso una capa de dióxido de titanio en forma de polvo
sobre el cristal (sobre la parte conductora) y se intentó sinterizar a unos 500 oC durante
unos 20 minutos pero no funcionó ya que la capa de dióxido de titanio no quedó
adherida al cristal.
Como el paso anterior no funcionó, se hizo una disolución, la cual llevaba 6 gramos de
dióxido de titanio y 9 ml de ácido acético. Esta mezcla se realizó en un mortero para
que quedara una especie de pasta y quedara bien mezclado. Después, esta pasta se
repartió por el cristal y se sinterizó a unos 500oC durante 20 minutos, pero tampoco
funcionó porque la capa de dióxido de titanio se agrietó.
22
Finalmente también se puso un poco de agua (10ml) a la mezcla anterior para que
quedara una especie de pintura y se repartió la pasta por el cristal y como en los pasos
anteriores, también se sinterizó durante 20 minutos a unos 500oC. Esto sí que funcionó
ya que la pasta quedó adherida al cristal.
Una vez acabado esto se realizó el electrólito. Para hacerlo se utilizó yodo, yoduro de
potasio y etilenglicol. En la bibliografía recomendaba utilizar 0,5M de yoduro de
potasio mezclado con 0,05M de yodo. Para poder calcular la cantidad necesaria se
necesitaba saber el peso molecular de los productos que para el yodo es 253,81g/mol
y para el yoduro de potasio 166g/mol entonces:
23
o Yodo:
0,5M
mol
g
253,81
10ml
l
mol
ml
1000
l
0,05M
o Yoduro de potasio :
g
mol
166
10ml
l
mol
ml
1000
l
0,13g
0,83g
Cuando se obtuvieron estos resultados con una balanza de precisión se hizo la mezcla
en el disco de petri para después en el mortero poder realizar una mezcla. Una vez
mezclado, se añadió etilenglicol para que quedara líquido. Esto se guardó en un
recipiente de plástico.
24
El siguiente paso fue poner colorante, en este caso las frambuesas, encima de la capa
de TiO2. Se chafaron las frambuesas en el mortero y con el líquido que desprendieron
se bañó la capa. Se dejó unos 5 minutos para que la capa de TiO2 lo absorbiera.
Después se puso el electrólito realizado anteriormente encima de esta capa para poder
finalizar una parte de la célula.
25
El último paso fue coger otro cristal idéntico al primero, pero en este caso sólo había
que pasarle una capa de grafito por la parte conductora, pero no funcionó porque el
grafito no quedó fijado en el cristal. Se decidió poner el cristal sin el grafito para poder
probar el funcionamiento de la célula.
Finalmente se unieron los dos cristales ligeramente desplazados y fijados por dos
pinzas de cocodrilo para poder poner el multímetro por las dos caras y poder realizar
las mediciones.
Al tener la célula montada se fue al exterior para realizar mediciones y comprobar que
funcionaba.
Los resultados que se obtuvieron fueron de 0,293V y 57,5µA como se puede observar
en las siguientes fotografías:
26
27
2.2. Construcción del primer utillaje
Para poder realizar las mediciones y obtener resultados se construyó un pequeño
utillaje el cual contenía dos resistencias variables (una de 10kΩ y otra de 100kΩ) en el
que colocando dos multímetros, uno en serie y otro en paralelo, se obtenían los
valores de intensidad y voltaje de la célula para después poder dibujar los gráficos
Intensidad – Voltaje.
El esquema del utillaje es el siguiente:
10k
A
100k
V
28
2.3. Construcción de dos células idénticas
Una segunda prueba realizada fue la de construir dos células idénticas para ver la
diferencia que existía entre ellas.
La construcción de estas dos células fue idéntica a la realización de la primera,
explicada anteriormente, y con el utillaje construido se pudieron obtener diferentes
valores de tensión y corriente para después poder observar los resultados y realizar el
gráfico Intensidad – Voltaje.
2.4. Creación de la capa de TiO2 más fina
Otra de las pruebas posteriormente realizadas fue la de crear capas muy finas de TiO 2
ya que en algunos artículos aconsejaba que éste fuera prácticamente transparente
para poder captar mejor los fotones. Los resultados obtenidos no mejorarán el primer
diseño.
2.5. Introducción del fotodiodo
A partir de aquí se intenta hacer una caracterización más completa añadiendo una
corriente de bias para poder ver la parte positiva y negativa en los gráficos. También se
introduce la novedad de un fotodiodo para poder estudiarlo y compararlo con la
célula.
29
El fotodiodo es un diodo semiconductor, construido con una unión PN, como muchos
otros diodos que se utilizan en diversas aplicaciones, pero en este caso el
semiconductor está expuesto a la luz a través de una cobertura cristalina y a veces en
forma de lente, y por su diseño y construcción será especialmente sensible a la
incidencia de la luz visible o infrarroja. Todos los semiconductores tienen esta
sensibilidad a la luz, aunque en el caso de los fotodiodos, diseñados específicamente
para esto, la construcción está orientada a lograr que esta sensibilidad sea máxima.
Los diodos tienen un sentido normal de circulación de corriente, que se llama
polarización directa. En ese sentido el diodo deja pasar la corriente eléctrica y
prácticamente no lo permite en el inverso: es la base del funcionamiento de un diodo.
Pero en el fotodiodo la corriente que está en juego (y que varía con los cambios de la
luz) es la que circula en sentido inverso al permitido por la juntura del diodo. Es decir,
para su funcionamiento el fotodiodo está polarizado de manera inversa. Se producirá
un aumento de la circulación de corriente cuando el diodo es excitado por la luz.
Debido a su construcción, los fotodiodos se comportan como células fotovoltaicas, es
decir, en ausencia de luz exterior generan una tensión muy pequeña con el positivo en
el ánodo y el negativo en el cátodo. Esta corriente presente en ausencia de luz recibe
el nombre de corriente de oscuridad.
2.6. Construcción del segundo utillaje
Seguidamente se construyó otro utillaje para poder leer valores de tensión en función
de la intensidad que proporcionara la célula. Se creó porque se realizó una prueba
dentro del laboratorio en el que la célula fotoquímica estaba dentro de una insoladora
donde recibía los rayos ultravioletas.
Se intentó obtener la respuesta de la célula en el tiempo mediante una tarjeta de
adquisición de datos.
30
El esquema de este segundo utillaje es el siguiente:
100k
2 7
6
3 +
-
5
10k
+
---
4
Vout
31
2.7. Comparación de diferentes colorantes
Otra de las pruebas realizadas fue la de obtener datos sin depositar ningún colorante
sobre la capa de TiO2 y la de probar con otro colorante como el te rojo. Se pudo
observar que sin colorante funcionaba pero proporcionaba menos intensidad.
2.8. Degradación de la célula
Finalmente la última prueba realizada fue la de comprobar la degradación de la célula.
Para la realización de la prueba se tomaron datos para después dejar la célula expuesta
a las inclemencias del tiempo durante un día. Al día siguiente se obtuvieron los valores
de ésta y se compararon con las del día anterior. También se puso un poco de
electrolito para verificar que la capa de TiO2 y el colorante no había degradado.
32
3. RESULTADOS
33
En este apartado se mostrarán todos los resultados obtenidos de todas las pruebas
realizadas.
Para poder llegar a conclusiones se comparará la célula fotoquímica con la célula
fotovoltaica y el fotodiodo.
3.1. Generador fotovoltaico
Un generador fotovoltaico ideal produce corriente aproximadamente proporcional a la
fuerza con la que incide la luz, en paralelo con un diodo.
Si se conecta una carga resistiva en paralelo, parte de la corriente producida por la
radiación solar circulará por esa resistencia y otra parte por el diodo.
Como se muestra en la figura anterior el voltaje aplicado en la carga es igual al voltaje
del diodo y la intensidad es:
I
IF
ID
34
El diodo es un elemento de conducción no lineal por lo que la curva Intensidad –
Voltaje, en general, es la siguiente:
ID
I s (exp(
VD
) 1)
VT
siendo Is y VT características del generador.
Sustituyendo en la primera ecuación obtendríamos la función que describe la curva
característica Intensidad – Voltaje:
I
IF
V
I S (exp( ) 1)
VT
35
En un generador fotovoltaico real aparece una componente resistiva interna del
generador y de los contactos, representada en serie con el generador y una
componente resistiva a causa del cristal semiconductor, representada en paralelo.
I
II
I S (exp[(1
RS V
RS V
) ] 1) (1
)
RL VT
RL RP
En nuestro caso hemos considerado que tanto R p como RL eran muy superiores a R S y
por lo tanto hemos asignado un valor 0 a ésta última.
36
3.2. Resultados del primer diseño
En la primera prueba realizada a la primera célula construida, se obtuvieron los
siguientes valores:
I(µA)
2,7
3,4
4,2
5,2
6,4
7,4
8,6
9,4
10,5
11,3
12,5
13,3
14,7
15,7
16,5
17,3
V(mV)
267
262
254
245
231
221
209
202
194
188
179
175
163
155
147
144
P (W)
7,209*10-7
8,908*10-7
1066,8*10-6
1,274*10-6
1,4784*10-6
1,6354*10-6
1,7974*10-6
1,8988*10-6
2,037*10-6
2,1244*10-6
2,2375*10-6
2,3275*10-6
2,3961*10-6
2,4335*10-6
2,4255*10-6
2,4912*10-6
18,3
19,7
20,3
21,6
22,4
23,7
24,7
25,7
26,4
27,7
28,7
29,4
30,5
31,4
33,1
34,4
136
126
122
110
102
89
82
73
49,3
39,5
33,2
28,3
21,1
14,8
3
0
2,4888*10-6
2,4822*10-6
2,4766*10-6
2,376*10-6
2,2848*10-6
2,1093*10-6
2,0254*10-6
1,8761*10-6
1,30152*10-6
1,09415*10-6
9,5284*10-7
8,3202*10-7
6,4355*10-7
4,6472*10-7
9,93*10-8
0
37
Como se puede observar en el gráfico y en la tabla, se obtuvo una corriente máxima de
34,4µA y un voltaje de 267mV. Mirando la tabla también podemos ver la potencia
máxima obtenida, que es de 2,5µW
Como se ha visto en el apartado anterior, el gráfico resultante tendría que tener una
componente exponencial, que es introducida por el diodo, pero en nuestro caso el
gráfico tiene un comportamiento lineal debido a la aparición de una componente
resistiva en el interior de la célula. Esto es debido a que la capa de dióxido de titanio
no es uniforme y existen pequeños cortocircuitos en la célula, esto es porque el
electrodo principal está en contacto con el contraelectrodo.
Otra causa por la que este fenómeno ocurre es porque no pudimos fijar la capa de
grafito en el contraelectrodo. El grafito es un catalizador de la reacción química entre
el electrolito y el electrodo. La importancia relativa del contraelectrodo respecto a los
cortocircuitos del electrodo aumentaría gracias al catalizador.
Para calcular el rendimiento de la célula se calculará la potencia por metro cuadrado
que ésta dará. Los cristales con los que se ha construido la célula son de 2,5cm cada
uno, pero hay que restar un poco de superficie ya que los vidrios están un poco
desplazados para poder conectar las pinzas y así obtener los resultados.
La superficie es de 2,5cm x 1,8cm que es igual a 4,5cm 2. La potencia máxima que
obtenemos es de 2,5µW.
2,5 μW
4,5cm 2
5,5555 10 7 W/cm 2
10000cm 2
1m 2
5,5555 10 3W/m2
5,5555mW/m2
38
3.3. Comparación de dos células idénticas
En este apartado lo que se pretendía era la ver la capacidad que se tenía para poder
crear dos células idénticas. Esto era difícil porque crear una capa de dióxido de titanio
uniforme y con el mismo espesor es muy complicado si no se dispone de las
herramientas y procedimiento adecuados. Como se verá a continuación los resultados
difieren un poco.
I(µA)
V(mV)
0,6
65,1
0,7
60,1
0,9
54,8
1
50
1,1
43,7
1,3
39,1
1,4
35,1
1,5
30
1,7
25,4
1,8
21
2
16,5
2,2
11,1
2,4
4,9
2,6
1,9
Tabla célula 1
P (W)
3,906*10-8
4,207*10-8
4,932*10-8
5*10-8
4,807*10-8
5,083*10-8
4,914*10-8
4,5*10-8
4,318*10-8
3,78*10-8
3,3*10-8
2,442*10-8
1,176*10-8
4,94*10-9
39
Como se observa en la tabla la potencia máxima obtenida es de 4,914*10 -8 W, el
voltaje máximo es de 65,1mV y la corriente máxima es 2,6µA.
Aquí los resultados son más bajos porque la capa de dióxido de titanio realizada
intentó que quedara un poco más fina que la anterior.
Como en el caso anterior también calcularemos la potencia por metro cuadrado que
puede ofrecer la célula para después hacer una valoración general.
4,914 10 8W
4 ,5cm 2
1,092 10 8W/cm 2
10000cm 2
1m 2
1,092 10 5W/m 2
Este valor es bastante bajo porque se realizó la experiencia un día nublado.
I(µA)
0,8
0,9
1
1,1
1,3
1,4
1,6
1,8
2
2,2
2,4
2,6
2,8
3
3,1
V(mV)
77,05
71,7
66,5
62
55,8
48,8
42,8
36,5
31,3
24,2
19,9
14,7
9,9
4,1
2
P (W)
6,164*10-8
6,453*10-8
6,65*10-8
6,82*10-8
7,254*10-8
6,832*10-8
6,848*10-8
6,57*10-8
6,26*10-8
5,324*10-8
4,776*10-8
3,822*10-8
2,772*10-8
1,23*10-8
6,2*10-9
Tabla célula 2
40
La potencia máxima obtenida en esta célula es de 6,57*10-8W, la corriente máxima es
de 3,1 µA y el voltaje de 77,05mV.
Los resultados son bastante parecidos a la célula anterior aunque difieren un poco, por
eso calcularemos la potencia por metro cuadrado que podemos obtener con esta
célula.
6,57 10 8W
4 ,5cm 2
10000cm 2
1,46 10 W/cm
1m 2
8
2
1,46 10 5W/m 2
Como podemos ver, la potencia de la célula de menor rendimiento es un 75% del de la
de mayor rendimiento. Se trata de una diferencia significativa que hay que tener en
cuenta cuando se comparan células aparentemente iguales.
En el apartado de la creación de la capa de TiO2 más fina los resultados obtenidos
fueron erróneos y no se pudo construir ningún gráfico. Se intentó hacer esta capa tan
41
fina porque en algunos artículos leídos lo recomendaba pero no se pudo conseguir
porque no se disponía del material adecuado. En los artículos recomendaba una capa
de 5 a 10nm.
3.4. Comparación con el fotodiodo
En la cuarta prueba se introduce un fotodiodo para poder comparar los valores
obtenidos anteriormente con los de éste.
Se obtienen los siguientes valores:
I(µA)
4
10
15
20
25
30
35
40
44
50
55
60
70
76
80
85
90
96
102
105
V(mV)
502
500
499
499
498
497
496
495
495
493
491
490
488
487
485
486
483
482
481
478
P (W)
2,008*10-6
5*10-6
7,485*10-6
9,98*10-6
1,245*10-6
14910*10-6
1,736*10-5
1,98*10-5
2,178*10-5
2,465*10-5
2,7005*10-5
2,94*10-5
3,416*10-5
3,7012*10-5
3,88*10-5
4,131*10-5
4,347*10-5
4,6272*10-5
4,9062*10-5
5,019*10-5
110
120
131
143
151
160
170
182
188
213
227
249
259
313
322
340
352
366
371
380
533
476
472
465
461
457
453
448
443
437
425
417
404
397
350
339
311
280
210
162
11
0
5,236*10-5
5,664*10-5
6,0915*10-5
6,5923*10-5
6,9007*10-5
7,248*10-5
7,616*10-5
8,0626*10-5
8,2156*10-5
9,0525*10-5
9,4659*10-5
1,00596*10-4
1,02823*10-4
1,0955*10-4
1,09158*10-4
1,0574*10-4
9,856*10-5
7,686*10-5
6,0102*10-5
4,18*10-6
0
42
La potencia máxima obtenida 1,0955*10-4W, la corriente máxima es de 380µA y el
voltaje máximo es de 502mV.
La superficie del fotodiodo, según las características adjuntadas en el anexo, es de
7,5mm2, por la tanto se puede decir que el fotodiodo tiene un mejor rendimiento que
la célula.
Cogiendo la potencia máxima que hemos obtenido que es de 1,0955*10 -4W y la
superficie del fotodiodo se calculará la potencia por metro cuadrado que puede
proporcionar éste.
1,0955 10 4 W
7 ,5mm 2
1000000mm 2
1,4606 10 W/mm
1m 2
5
2
14,6066W/m 2
43
Para comparar el fotodiodo se realizó una nueva célula como la primera que se creó.
Los resultados obtenidos fueron los siguientes:
I(µA)
1,8
2
3
4
5
6
7
8
9,1
10
11
V(mV)
208
202
168
145
131
117
106
96
87
80
73
12
13
14,1
15
16
17
18
19,1
21
22
24
26,9
67
61
56
53
48
44
37
35
25
21
10
0
44
La forma del gráfico no es lineal porque cuando se pone el electrolito en la célula hay
que esperar unos minutos a que la célula se estabilize.
Los resultados obtenidos son muy parecidos al de la primera célula, por lo tanto, se
cogerán aquellos valores para poder compararlos con los obtenidos por el fotodiodo.
La potencia por metro cuadrado del fotodiodo es de 14,6066 W y la de la primera
célula es de 5,5555mW por metro cuadrado.
Suponiendo que el fotodiodo tiene un rendimiento del 10% se calculará el rendimiento
de la célula:
14,6066W  10%
5,5555mW  X
El rendimiento de la célula es de 0,004%
45
3.5. Introducción del BIAS
Fotodiodo con bias
I(µA)
4
10
20
30
40
50
60
70
80
90
105
120
131
143
151
V(mV)
505
500
499
497
495
493
490
488
485
483
478
472
465
462
457
170
182
188
213
227
249
259
313
322
340
352
371
380
423
369
448
443
437
425
417
404
397
350
339
311
280
162
11
79
-168
46
Esta prueba se realizó para poder ver la parte positiva y negativa de los gráficos y ver
como se comportaba el fotodiodo y la célula.
Los valores obtenidos son los mismos que los anteriores pero añadiendo la parte
negativa del gráfico.
En el gráfico se observa como la corriente se estabiliza en la parte negativa.
Célula con bias
I(µA)
1,8
2
3
4
5
6
7
8
9,1
10
11
12
13
14,1
15
V(mV)
208
202
168
145
131
117
106
96
87
80
73
67
61
56
53
16
17
18
19,1
21
22
24
26,9
88
91,5
109
148
170
193
48
44
37
35
25
21
10
0
-190
-200
-245
-330
-387
-430
47
En el caso de la célula, al no tener la misma función que el fotodiodo, la corriente no se
estabiliza en la parte negativa.
Otra de las pruebas realizadas fue poner una célula en la insoladora para que recibiera
rayos ultravioletas y poder ver como variaba ésta con el tiempo. Los datos se
adquirieron mediante una tarjeta de adquisición de datos.
Los resultados obtenidos no fueron satisfactorios porque para los instrumentos de que
se disponía en el laboratorio la subida de corriente era instantánea.
48
3.6. Prueba con otro colorante
La realización de esta prueba consistió en crear tres células idénticas pero poniendo
diferente colorante sobre la capa de TiO2. Se probó con el colorante que se estaba
poniendo hasta ahora, que era el zumo de frambuesa, con una infusión de te rojo y
también se quiso probar sólo con la capa de TiO2, sin depositar ningún colorante sobre
ella.
Colorante de te rojo
I(µA)
2,4
2,9
3,2
3,5
3,7
4
4,2
4,4
4,6
V(mV)
190
180
170
160
150
139
129
120
110
P (W)
4,56*10-7
5,22*10-7
5,44*10-7
5,60*10-7
5,55*10-7
5,56*10-7
5,418*10-7
5,28*10-7
5,06*10-7
4,8
5
5,3
5,5
5,8
6
6,2
6,4
6,5
99
90
77
66
50
40
21
10
0
4,752*10-7
4,5*10-7
4,081*10-7
3,63*10-7
2,90*10-7
2,40*10-7
1,302*10-7
6,4*10-8
0
49
La corriente máxima que se obtiene es de 6,4µA, el voltaje es de 190mV y la potencia
máxima es de 5,56*10-7W.
5,56 10 7W
4,5cm 2
1,2355 10 7W/cm 2
10000cm 2
1m2
1,2355 10 3W/m2
1,23mW / m2
CON FRAMBUESAS
I(µA)
2,7
3,2
3,5
3,8
4
4,3
4,5
4,8
5,1
5,4
V(mV)
289
279
270
260
250
240
230
220
208
199
P (W)
7,803*10-7
8,928*10-7
9,45*10-7
9,88*10-7
1*10-6
1,032*10-6
1,035*10-6
1,056*10-6
1,0608*10-6
1,0746*10-6
5,7
6
6,1
6,4
6,8
7,1
7,6
7,9
8,3
9
9,7
187
176
170
158
146
136
122
115
106
95
80
1,0659*10-6
1,056*10-6
1,037*10-6
1,0112*10-6
9,928*10-7
9,656*10-7
9,272*10-7
9,085*10-7
8,798*10-7
8,55*10-7
7,76*10-7
50
La corriente máxima obtenida es de 9,7µA, el voltaje es de 289mV y la potencia
máxima es de 1,0746*10-8.
1,0746 10 6 W
4 ,5cm 2
2,388 10 7 W/cm 2
10000cm 2
1m 2
2,388 10 3 W/m 2
2,38mW / m 2
SÓLO CON TIO2
I(µA)
0,05
0,08
1
1,5
2,9
3,6
3,9
4,8
5,2
6,6
V(mV)
55,5
50
43
38
29
23
16
10
5,4
0
P (W)
2,775*10-9
4*10-9
4,3*10-9
5,7*10-9
8,41*10-8
8,28*10-8
6,24*10-8
4,8*10-8
2,808*10-8
0
51
La corriente máxima obtenida es de 5,2µA, el voltaje es de 55,5mV y la potencia
máxima es de 8,41*10-8W
8,41 10 8 W
4,5cm 2
1,8688 10 8 W/cm 2
10000cm 2
1m 2
0,187mW/m 2
La célula fotoquímica también funciona sin colorante pero se ha comprobado que
poniendo colorante sobre la capa de TiO2 el rendimiento de la célula aumenta.
Podemos sacar algunas conclusiones interesantes sobre el papel del colorante. La
introducción del colorante mejora el rendimiento de la célula en un orden de
magnitud. Por otro lado, existen diferencias notables entre colorantes debido a su
diferente capacidad de captar fotones. En nuestro caso, la diferencia entre la
frambuesa y el te rojo es de doble o mitad.
3.7. Degradación de la célula
En esta prueba se pretendía ver la duración de la célula con el electrolito durante su
exposición al sol.
Se comprobó que al no estar totalmente cerrada se degradó y que su rendimiento bajó
porque el electrolito se evaporó.
52
Primer día:
I(µA)
6,1
6,2
6,7
7,1
7,3
7,8
8,3
8,7
9,1
9,3
9,6
V(mV)
66,8
67,8
60
52,2
46,9
36,4
26
17,7
10,1
5,3
0
P
4,0748*10-7
4,2036*10-7
4,02*10-7
3,7062*10-7
3,4237*10-7
2,8392*10-7
2,158*10-7
1,5399*10-7
9,191*10-8
4,929*10-8
0
53
Al colocar la célula al sol se obtuvieron unos valores aproximadamente como en las
anteriores pruebas. La corriente máxima fue de 9,3µA, el voltaje de 66,8mV y la
potencia máxima de 4,2036*10-7W.
4,2036 10 7 W
4,5cm 2
9,3413 10 8 W/cm 2
10000cm 2
1m 2
9,3413 10 4 W/m 2
Hay que comentar que estas medidas se realizaron con luz artificial para evitar que
debido a las diferencias en la intensidad de la luz natural no nos permitieran recoger la
tendencia debida a la degradación de la célula.
Esta célula se dejó cortocircuitada durante un día a la exposición de las inclemencias
del tiempo y a las 24 horas se volvieron a tomar valores que fueron los siguientes:
Segundo día:
I(µA)
0
1,2
1,3
1,5
1,6
1,8
1,9
2,1
2,4
2,5
2,7
2,9
3
3,1
3,2
V(mV)
223
131,3
121,2
113
102,9
93,3
81,4
69,7
55
45
35,7
26
17,1
10
4
P (W)
0
1,5756*10-7
1,5756*10-7
1,695*10-7
1,6464*10-7
1,6794*10-7
1,5466*10-7
1,4637*10-7
1,32*10-7
1,125*10-7
9,639*10-7
7,54*10-7
5,13*10-7
3,1*10-8
1,28*10-8
54
La corriente máxima obtenida fue de 3,2µA, el voltaje de 223mV y la potencia máxima
de 1,695*10-7W.
1,695 10 7W
4,5cm 2
3,7666 10 8W/cm 2
10000cm 2
1m2
3,7666 10 4W/m2
Cuando se obtuvieron los resultados anteriores se puso un poco de electrolito sobre la
capa de TiO2 y se volvieron a tomar valores para comprobar que eran como los del día
anterior.
55
I(µA)
6
6,3
6,6
6,9
7,2
7,7
8,4
9,1
V(mV)
70,2
68,9
59,9
54,5
48,4
38,1
17,6
10,3
P (W)
4,212*10-7
4,3407*10-7
3,9534*10-7
3,7605*10-7
3,4848*10-7
2,9337*10-7
1,4784*10-7
9,373*10-8
Como se puede observar en la tabla, la corriente máxima es de 9,1µA, el voltaje es
de70,2mV y la potencia máxima es 4,3407*10.7W.
4,3407 10 7 W
4,5cm 2
10000cm 2
9,646 10 W/cm
1m 2
8
2
9,646 10 4 W/m 2
56
Como hemos podido observar la célula se degrada. Ahora bien, hay que achacar la
mayor parte de la degradación a la pérdida del electrolito. De hecho, la parte más
problemática en la realización de células fotoquímicas es el sellado de las células para
evitar la fuga del electrolito. En nuestro caso al no estar sellada la célula hay que poner
electrolito para que vuelva a dar su máximo rendimiento.
En el caso del colorante, no se ha apreciado una degradación apreciable en un día.
57
4. COMENTARIOS FINALES
58
4.1.
Plan de trabajo
o Estudio de seguridad.
o Realización de la primera prueba: Creación de la primera célula fotoquímica. Se
realiza la “pintura” de TiO2, el electrolito y se utilizan frambuesas para el
colorante.
o Se construye el primer utillaje para obtener valores de intensidad y voltaje.
o Realización de la segunda prueba: Se crean dos células idénticas para ver la
diferencia entre ellas.
o Realización de la tercera prueba: Se realizan capas muy finas de TiO2.
o Se construye un segundo utillaje para leer voltajes.
o Realización de la cuarta prueba: Se intenta realizar una caracterización más
completa añadiendo una corriente de bias. También se introduce el fotodiodo
para poder compararlo con la célula fotoquímica.
o Realización de la quinta prueba: Se intenta ver cómo responde la célula en
función del tiempo.
o Realización de la sexta prueba: Se prueban diversos colorantes para ver el
comportamiento de la célula.
o Realización de la séptima prueba: Se intenta ver como degrada la célula cuando
está expuesta a las inclemencias del tiempo.
4.2.
Lista de materiales
o Cristal con capa de Dióxido de Estaño (SnO2)
o Dióxido de Titanio (TiO2 P25)
o Yodo
o Yoduro de Potasio
o Etilenglicol
o Ácido acético
59
o Discos de Petri
o Mortero
o Pipeta
o Mechero Bunsen
o Balanza de precisión
o Recipientes
o Guantes
o Mascarilla
o Gafas
o Frambuesas
o Te rojo
4.3.
Presupuesto
Se realiza un pequeño presupuesto con los materiales obtenidos de la empresa Sigma
– Aldrich.
MATERIALES
ITO coated glass
Ethylene glycol
Iodine
Potassium Iodide
Aeroxide TiO2 P25
TOTAL
REFERENCIA
703176-10PAK
324558-1L
207772-100g
60400-100g-F
-
PRECIO
32,20€
70,60€
39,00€
25,00€
0€
166,8€
El dióxido de titanio fue suministrado como muestra por la empresa Quimidroga.
60
4.4.
Objetivos realizados
o Se ha desarrollado una metodología para realizar células fotoquímicas a partir
de materiales fáciles de conseguir.
o Se han diseñado y realizado unos utillajes para facilitar la tarea de caracterizar
células fotoquímicas.
o También se ha desarrollado una metodología para caracterizar las células
fotoquímicas.
o Se ha utilizado dicha metodología para evaluar la uniformidad de las células
construidas, el rendimiento en función del grosor, y el efecto de diferentes
tipos de colorantes.
o Se ha realizado un estudio de seguridad.
o Se ha divulgado parte de estos resultados en las jornadas de energías
renovables del campus de Terrassa (Sunwind)
4.5.
Conclusiones
o Existe una amplia literatura sobre la realización de células fotoquímicas pero no
todos los procedimientos descritos son adecuados. Hemos encontrado dificultades
sobre todo en la aplicación de la capa de dióxido de titanio y en la aplicación del
catalizador en el contraelectrodo. Precisamente son estos puntos los que necesitan
más mejoras y están peor resueltos en el presente proyecto.
o El rendimiento de nuestras células fotoquímicas es cuatro órdenes de magnitud
inferior al de un fotodiodo comercial.
o No obstante, el proceso de realización es mucho más sencillo en comparación
con el complicado proceso para fabricar una célula fotovoltaica.
61
o Existen notables diferencias entre células realizadas aparentemente de la
misma manera, en nuestro caso hasta del 25%. Por este motivo hay que tener
cautela a la hora de comparar resultados entre células diferentes.
o Hemos obtenido mejores resultados con capas de dióxido de titanio
relativamente gruesas, pero no tanto como para que se agrieten durante el
proceso de sinterización.
o El efecto del colorante es un incremento de un orden de magnitud respecto a la
misma célula sin colorante. No todos los colorantes tienen la misma eficiencia. Por
ejemplo, la frambuesa es el doble de eficaz que el te rojo.
o El tiempo de reacción a la luz es inferior al medio segundo. En cambio, una vez
se ha realizado la célula se obtiene el mayor rendimiento pasados unos minutos.
o Los modelos habituales referidos a células fotovoltaicas también son aplicables
en este caso, siempre que se tenga en cuenta la resistencia interna.
o En este sentido, la resistencia interna de las células resulta ser muy inferior a lo
deseable, lo cual provoca una desviación notable de la curva ideal de un diodo. Lo
más probable es que dicha desviación sea debida a una falta de uniformidad en la
capa de dióxido de titanio unida a la ausencia de una capa de catalizador en el
contraelectrodo.
o Para aplicaciones serias es imprescindible sellar la célula para evitar pérdidas de
electrolito.
o No se ha apreciado degradación del colorante tras una exposición de un día a la
luz solar.
62
4.6.
Mejoras futuras
Este proyecto se puede continuar de muchas maneras. De hecho pretende ser un
primer paso en el estudio de las células fotoquímicas. Algunas de estas continuaciones
pueden ser las siguientes:
o Realización de un prototipo de tamaño medio con electrolito sellado pensando
en aplicaciones prácticas.
o Aplicación de un catalizador en el contraelectrodo.
o Encontrar un método práctico para realizar y sensibilizar capas de dióxido de
titanio.
o Buscar una alternativa al dióxido de estaño (ITO) más sencilla para realizar
electrodos transparentes.
o Mejora del colorante, del electrolito, …
o Estudio de las células bajo condiciones más controladas (simulador solar) y
estudio de la sensibilidad a diferentes longitudes de onda.
63
5. BIBLIOGRAFIA
64
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
http://www.solideas.com/
http://www.cefetba.br/fisica/NFL/PBCN/solar/solareng.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor
http://es.wikipedia.org/wiki/Union_PN
http://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A9lula_fotovoltaica
http://en.wikipedia.org/wiki/Dye-sensitized_solar_cell
http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=2210#_Gratzel_Cells_and
http://bama.ua.edu/~chem/seminars/student_seminars/fall04/papersf04/wan-sem.pdf
9. http://www.eifer.uni-karlsruhe.de/162.php
10. http://www.elp.uji.es/juan_home/research/solar_cells.htm
11. http://www.solaronix.com/technology/assembly/
12. http://www.camse.org/scienceonthemove/documents/DSSC_manual.pdf
13. http://spie.org/x27632.xml?ArticleID=x27632
14. http://www.technologyreview.com/read_article.aspx?id=17490&ch=biztech
&sc=&pg=1
15. http://www.chefseattle.com/articles/raspberry-solar-cell.html
16. http://www.rci.rutgers.edu/~dbirnie/solarclass/DSSC.pdf
17. http://www.worldscibooks.com/etextbook/p217/p217_chap08.pdf
18. http://www.sardegnaricerche.it/documenti/13_143_20081120125730.pdf
19. http://books.google.com/books?id=eA68g4ec7UUC&dq=solar+energy+projec
ts,+Gavin+Harper&printsec=frontcover&source=bn&hl=es&ei=IXHS68qzKrhBtuiwNEN&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=4&ved=0CC8Q
6AEwAw#v=onepage&q&f=false
65
AGRADECIMIENTOS
o Agradecemos a la empresa Quimidroga que nos haya suminstrado
gratuitamente el dióxido de titanio para la realización de este proyecto.
o A la línea de investigación DILAB que se haya hecho cargo del coste de los
materiales.
66
A. ANEXOS
67
Tablas de seguridad de los productos utilizados
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
DATASHEET LM741
89
90
91
92
93
94
95
96
97
DATASHEET FOTODIODO
98
99
100
101
102

Realización de una célula fotoquímica de bajo coste

Transcripción

Documentos relacionados

Teorías del origen de la vida

An Adventure into Cells and Their Parts

la célula - IES El Piles

Biología- Guias para Enseñar y Aprender

TEMA 11: MORFOLOGÍA CELULAR