Dispositivos fotovoltaicos basados en sales laminares de fosfato de zirconio = Photovoltaic devices based in laminar salts of zirconium phosphates

Resumen

El objetivo general de esta Tesis Doctoral es el diseño químico de materiales activos basados en sales laminares de fosfato de zirconio, para la conversión de la energía lumínica en energía química, por medio de la construcción de células solares y de dispositivos para la ruptura fotoquímica del agua. La idea de utilizar la energía solar es tan antigua como la humanidad pero actualmente la actividad científica en este campo es frenética. Inicialmente los dispositivos más utilizados para este fin han sido aquellos basados en el silicio cristalino semiconductor, pero las eficiencias alcanzadas hasta el momento han llegado a un máximo prácticamente insalvable en torno al 25%. Con el fin de superar este máximo y para intentar reducir los costes de los procesos de fabricación surgen las células solares sensibilizadas por colorante o DSSC. En este tipo de dispositivos se utiliza un complejo orgánico para sensibilizar un semiconductor determinado. Habitualmente el conductor más utilizado para tal fin ha sido el óxido de titanio, pero desde hace un tiempo se ha encontrado nuevamente una barrera en la eficiencia en torno al 13% que no se ha podido superar. Por ello, en esta tesis se ha utilizado el fosfato de zirconio laminar para tal fin debido a su inexplorada capacidad en este campo. El fosfato de zirconio en forma gamma posee una gran versatilidad, estabilidad térmica y química y su obtención es relativamente sencilla. La introducción de diversos tipos de moléculas orgánicas, mediante enlaces covalentes (intercambio topotáctico) o fuerzas iónicas (intercalación), puede aportarle a la matriz inorgánica distintos tipos de propiedades según la molécula que se introduzca. Durante este proyecto hemos llevado a cabo la puesta a punto de la preparación de la fase gamma del fosfato de zirconio y la intercalación de aminas en su interior mediante técnicas de microondas. Esto nos proporcionó un enorme ahorro tanto temporal como económico. Para la preparación de materiales basados en el fosfato de zirconio se han utilizado primeramente el complejo de Rutenio trisbipiridilo y diversos aceptores electrónicos o viológenos (diquat, metildiquat y paraquat) para preparar materiales que pudiesen ser utilizados como dispositivos solares. Con el fin de controlar la disposición y la cantidad de ambas especies se han unido éstas formando diversos tipos de diadas que se han introducido en la matriz inorgánica. Se ha observado que, al utilizar estas diadas, las eficiencias aumentaban considerablemente respecto a los materiales iniciales obteniéndose valores del 0.1% en los primeros ensayos. El hecho de haber obtenido estos valores de eficiencia utilizando complejos de rutenio relativamente sencillos nos animó a seguir investigando en este camino para poder aumentar la eficiencia. El primer intento consistió en un experimento sencillo de doble sensibilización que consistió en la utilización de un colorante comercial como cosensibilizador que actuaba adsorbiéndose en el exterior de las partículas de material. A este efecto se observó un aumento de las eficiencias en todos los casos que podría entenderse como una actuación del cosensibilizador absorbiendo fotones y produciendo una cantidad adicional de separción de cargas. Tras este estudio se ha demostrado que utilizando un complejo de rutenio como cosensibilizador, la eficiencia de las células puede duplicarse, y aunque ésta está aún por debajo de las de las células solares sensibilizadas por colorante que utilizan TiO2 como semiconductor, una investigación más en profundidad del tipo de complejo utilizado podría mejorar muy notablemente los resultados obtenidos hasta ahora. Por otra parte nos propusimos mejorar las propiedades semiconductoras de la fase gamma del fosfato de zirconio. Hemos estudiado esta matriz inorgánica para determinar características como la posición de su banda de conducción, que determinará el lugar donde el colorante inyecta los electrones o su energía interbandas. La medida de la energía interbandas mediante métodos ópticos proporcionó un valor de ésta de 6.2eV, lo que era un valor relativamente grande para ser utilizado como semiconductor. Por ello se pensó en el dopaje de la matriz como posible solución a éste problema. Se realizaron dopajes con diversos metales y se llevaron a cabo las medidas de esta energía interbandas de todos los materiales dopados, obteniéndose unos resultados llamativos cuando se utilizaba el niobio. A tal efecto se observó que sólo en éste caso era posible obtener materiales laminares y homogéneos con niobio en distinta proporción y tras la medida de su energía interbandas se observó que ésta se había conseguido reducir a 4.5eV. Utilizando estas fases dopadas se llevó a cabo la introducción de moléculas orgánicas en su interior con el fin de preparar materiales que pudiesen ser utilizados como dispositivos fotovoltaicos. Desgraciadamente las medidas preliminares realizadas de dichos dispositivos no han permitido observar mejoras en la eficiencia. En base a estos resultados y a las conclusiones obtenidas en este trabajo, nos hemos propuesto actividades futuras en los aspectos siguientes: - Preparación de diadas y triadas con otros elementos fotosensibles cuyo espectro de absorción coincida con la emisión solar. - Preparación de materiales organo-inorgánicos basados en otras estructuras laminares como el fosfato de titanio - Preparación de estructuras laminares conteniendo dos o más metales para disminuir la energía interbandas.