Principios básicos y mediciones
Propósito de esta nota
Esta nota de aplicación es parte de una serie relativa a las células solares de colorante. Se discute la teoría y varios tipos de experimentos necesarios para la caracterización de las células solares.
La primera parte de esta serie discute los principios básicos de las células solares de colorante, su configuración y los mecanismos electroquímicos subyacentes.
Además, se demuestra la caracterización de las células solares de colorante mediante experimentos electroquímicos básicos.
Introducción
En tiempos de escasez de combustibles fósiles, el aumento de los precios del crudo, así como el rechazo de las fuentes de energía convencionales (por ejemplo, el carbón o las centrales nucleares), las formas de energía sostenible se convierten cada vez más en el centro de atención. La energía hidráulica, la energía eólica, la energía geotérmica o el procesamiento de la biomasa son sólo algunos de estos recursos sostenibles.
Otra importante fuente de energía renovable es la energía solar. La energía fotovoltaica y los colectores solares térmicos son los más utilizados.
Las células solares de colorante (DSC) que se analizan en esta nota de aplicación son células de película fina. También se denominan células solares sensibilizadas con colorantes (DSSC) o células Grätzel, que reciben su nombre del químico suizo Michael Grätzel, que participó en gran medida en el desarrollo de nuevos tipos de células.
La fabricación de las DSC es sencilla, en su mayoría de bajo coste, e incorporan materiales respetuosos con el medio ambiente. Tienen una buena eficiencia (alrededor del 10-14 %) incluso con un flujo bajo de luz solar.
Sin embargo, un inconveniente importante es la sensibilidad a la temperatura del electrolito líquido. De ahí que se esté investigando mucho para mejorar el rendimiento del electrolito y la estabilidad de la célula.
Teoría
Estructura de una célula solar de colorante
La figura 1 muestra un diagrama simplificado de una célula solar de colorante.
Figura 1 – Configuración simplificada de una célula solar de colorante. Para más detalles, véase el texto.
El ánodo de una DSC consiste en una placa de vidrio que está recubierta con una película de óxido conductor transparente (TCO). El óxido de indio y estaño (ITO) o el óxido de estaño dopado con flúor son los más utilizados. Sobre la película se aplica una fina capa de dióxido de titanio (TiO2). El semiconductor presenta una gran superficie debido a su elevada porosidad.
El ánodo se empapa con una solución de colorante que se une al TiO2. El colorante -también llamado fotosensibilizador- es principalmente un complejo de rutenio o varios compuestos orgánicos libres de metales. Para fines de demostración, también se puede utilizar zumo de fruta corriente (como el de las moras o las granadas). Contienen pigmentos que también son capaces de convertir la energía luminosa en energía eléctrica.
El cátodo de un DSC es una placa de vidrio con una fina película de Pt que sirve de catalizador. Se utiliza una solución de yoduro/trioduro como electrolito.
Ambos electrodos se presionan entre sí y se sellan para que la célula no tenga fugas. Se puede alimentar una carga externa cuando la luz brilla sobre el ánodo de la célula solar de colorante.
Principio de una célula solar de colorante
Como su nombre indica, el mecanismo de las células solares de colorante se basa en los procesos fotoelectroquímicos. La figura 2 muestra un diagrama energético de una célula solar de colorante. La siguiente sección describe todos los procesos electroquímicos relevantes.
Figura 2 – Diagrama energético de una célula solar de colorante. Resaltados en rojo están todos los pasos individuales que se explican en el texto.
Paso 1: La molécula de colorante está inicialmente en su estado básico (S). El material semiconductor del ánodo es en este nivel de energía (cerca de la banda de valencia) no conductor.
Cuando la luz brilla sobre la célula, las moléculas de colorante se excitan desde su estado básico a un estado de mayor energía (S*), véase la ecuación 1.
Eq. 1
La molécula de colorante excitada tiene ahora un mayor contenido energético y supera la brecha de banda del semiconductor.
Paso 2: La molécula de colorante excitada (S*) se oxida (véase la ecuación 2) y se inyecta un electrón en la banda de conducción del semiconductor. Los electrones pueden ahora moverse libremente ya que el semiconductor es conductor en este nivel de energía.
Eq. 2
Los electrones son entonces transportados al colector de corriente del ánodo a través de procesos de difusión. Se puede alimentar una carga eléctrica si está conectada.
Paso 3: La molécula de colorante oxidada (S+) se regenera de nuevo mediante la donación de electrones del yoduro del electrolito (véase la ecuación 3).
Eq. 3
Paso 4: A cambio, el yoduro se regenera por reducción del triyoduro en el cátodo (ver ecuación 4).
Eq. 4
Parámetros importantes
Una célula solar genera corriente cuando la luz incide sobre ella. La corriente de salida depende en gran medida del potencial de la célula, así como de la intensidad de la luz incidente. Las curvas corriente-potencial (también llamadas curvas I-V) ilustran la relación.
De forma similar a los experimentos estándar de voltametría cíclica, se aplica un potencial E y se barre entre un potencial inicial y otro final. Se mide la corriente I de la célula. Además, se enfoca una fuente de luz con una intensidad constante sobre la célula solar para generar energía.
La figura 3 muestra una curva I-V típica de una célula solar para intensidades de luz crecientes y cuando no hay luz.
Figura 3 – Diagrama esquemático de las curvas I-V con y sin luz. Para más detalles, véase el texto.
Una célula solar de colorante se comporta como un diodo cuando no hay luz. No se genera corriente y se necesita energía para alimentar la célula.
Las curvas I-V se desplazan más hacia abajo cuando se enfoca la luz sobre una DSC. La célula solar genera ahora corriente que aumenta con el incremento de la intensidad de la luz.
El flujo de corriente es casi constante a los potenciales más bajos. Alcanza su máximo cuando el potencial es cero. La corriente generada disminuye con el aumento del potencial. Es cero en el potencial de circuito abierto. Por encima de este potencial, se necesita una tensión de polarización externa para alimentar la célula. La célula puede dañarse a valores excesivamente altos.
De las curvas I-V pueden derivarse varios parámetros que se analizan en los siguientes apartados. La figura 4 muestra un resumen esquemático de una curva I-V que incluye parámetros.
Figura 4 – Curva I V esquemática y curva de potencia de una célula solar. Se muestran varios parámetros importantes. Para más detalles, véase el texto.
Corriente de cortocircuito
La corriente de cortocircuito ISC es la corriente más alta que se puede extraer de una célula solar. La tensión de la célula es en este punto cero. Por lo tanto, la potencia generada también es cero.
Eq. 5
La corriente de cortocircuito aumenta con el incremento de la intensidad de la luz.
Potencial de circuito abierto
El potencial de circuito abierto EOC es el voltaje más alto de una célula solar a una intensidad de luz determinada. También es el potencial en el que el flujo de corriente a través de una célula solar es cero.
Eq. 6
EOC es creciente con el aumento de la intensidad de la luz.
Potencia
La potencia generada P de una célula solar puede calcularse mediante la siguiente fórmula:
Eq. 7
La potencia calculada también puede representarse gráficamente frente al potencial aplicado (véase la figura 4). La curva de potencia resultante muestra una potencia máxima Pmax.
Factor de llenado
El factor de llenado (FF) es un parámetro importante para especificar las capacidades generales de una célula. Describe la calidad y la idealidad de una célula solar.
El factor de llenado es la relación entre la potencia máxima generada Pmax y la potencia máxima teórica Ptheo de una célula solar. La fórmula general del factor de llenado es:
Eq. 8
EMP y IMP son el potencial y la corriente de la curva I V en la que la potencia generada es máxima.
El factor de llenado también se puede representar mediante rectángulos en una curva I-V. La figura 5 muestra una ilustración esquemática.
Figura 5 – Ilustración gráfica del factor de llenado. Para más detalles, véase el texto.
En el caso ideal, una curva I-V es un rectángulo (área verde). El máximo de potencia está en EOC e ISC y el factor de llenado es uno.
Sin embargo, las condiciones no ideales causadas por efectos parasitarios disminuyen el máximo de potencia y la curva I-V se redondea. El área real resultante que representa el máximo de potencia (rectángulo azul) es menor. Está cubierta por el potencial EMP y la corriente IMP.
Nótese que el Factor de Relleno no es igual a la eficiencia de una célula solar.
Resistencias en serie y en derivación
Como se ha mencionado anteriormente, los efectos parasitarios causados por las resistencias internas conducen a la pérdida de potencia en una célula solar. Estas resistencias pueden describirse mediante una resistencia en serie (RS) y una resistencia en derivación (RSH).
La Figura 6 y la Figura 7 muestran cómo ambas resistencias afectan a la forma de una curva I-V.
Figura 6 – Efecto de la resistencia en serie RS sobre la forma de una curva I-V.
La resistencia en serie RS puede estimarse por la inversa de la pendiente cerca del potencial de circuito abierto (véase la figura 6).
En principio, la resistencia en serie sería cero. Sin embargo, las resistencias de los contactos metálicos o del sustrato en bruto provocan una caída de tensión adicional dentro de la célula. Como resultado, la pendiente de la curva cerca de EOC disminuye con el aumento de RS. Por lo tanto, tanto el área bajo la curva como la potencia máxima disminuyen.
Nótese que el potencial de circuito abierto EOC no se ve afectado por RS porque el flujo de corriente es cero. La corriente de cortocircuito tampoco se ve afectada por RS. Sólo valores muy grandes pueden conducir a una reducción de ISC.
Figura 7 – Efecto de la resistencia de derivación RSH en la forma de una curva de I V.
RSH puede estimarse por la pendiente inversa cerca de la corriente de cortocircuito ISC (ver Figura 7). En el caso ideal, esta resistencia es infinita, por lo que no existe ningún camino de corriente adicional. Cuanto menor sea RSH, más aumentará la pendiente de la curva I V cerca de la corriente de cortocircuito. Esto conduce también a un menor potencial de circuito abierto EOC.
La resistencia de derivación RSH puede modelarse mediante una resistencia paralela. Está causada principalmente por la corriente de fuga a través de la célula causada por impurezas o defectos en el proceso de fabricación.
La potencia máxima, el factor de llenado y la eficiencia se ven afectados negativamente por pequeñas resistencias de derivación.
Nota:
que ambos cálculos de RS y RSH sólo deben utilizarse como estimaciones cerca del potencial de circuito abierto y de la corriente de cortocircuito, respectivamente.
Eficiencia
La eficiencia η es la relación entre la potencia máxima generada Pmax y la potencia eléctrica de entrada Pin de la fuente de luz.
Eq. 9
Para calcular la eficiencia, hay que conocer la potencia de la luz incidente Pin.
Nota: Para más información sobre el cálculo de la potencia de la luz, consulte la nota técnica de Gamry: Medición de la potencia óptica de su LED
Experimentos
Las siguientes secciones describen varios experimentos con células solares de colorante. Todos los accesorios del DSC son de Solaronix. La célula solar utiliza electrodos de titanio y platino. El electrolito es una solución de yoduro/trioduro 50 mM en acetonitrilo. Como colorante se utiliza el rutenizador 535-bisTBA. El área activa de la célula es de 0,64 cm2.
La figura 8 muestra una serie de curvas I-V con intensidades de luz crecientes (de brillante a oscuro). El potencial de la célula solar se barrió entre 0 V y el potencial de circuito abierto durante varios ciclos. La velocidad de barrido fue de 5 mV/s para asegurar el funcionamiento de la célula en estado estacionario.
La intensidad de la luz del LED rojo (625 nm) se incrementó gradualmente de 5,1 mW a 37,2 mW para cada curva. Sólo se muestra el último ciclo de avance para cada intensidad. La distancia entre el LED y la célula solar de colorante era de 3 cm.
Figura 8 – Serie de curvas I-V con intensidades de luz crecientes (de brillante a oscuro). Para más detalles, véase el texto.
Como era de esperar, la corriente aumenta al aumentar la intensidad de la luz. Además, el potencial de circuito abierto se desplaza a valores más altos. Por lo tanto, la potencia generada de la célula solar aumenta. La figura 9 muestra las curvas de potencia correspondientes.
Figura 9 – Serie correspondiente de curvas de potencia con intensidades de luz crecientes (de brillante a oscuro).
El máximo de potencia Pmax se desplaza ligeramente hacia corrientes más negativas y potenciales más altos.
La siguiente tabla enumera varios parámetros que pueden evaluarse a partir de las curvas I V y las curvas de potencia mostradas en la Figura 8 y la Figura 9.
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Pin |
ISC |
EOC |
Pmax |
Ptheo |
FF |
η |
Tabla 1 – Resumen de los parámetros calculados a partir de las curvas I V y de las curvas de potencia.
El factor de relleno se mantiene casi constante en torno a 0,78. Es menor a bajas intensidades de luz.
La eficiencia es en general muy baja, alrededor del 0,6 %. A este respecto, hay que tener en cuenta que para estos experimentos se utilizó un LED rojo con una estrecha gama de longitudes de onda. La eficiencia disminuye ligeramente con el aumento de las intensidades de luz.
Además, RS y RSH pueden estimarse a partir de las pendientes de una curva I-V (véase también la Figura 6 y la Figura 7). La Tabla 2 resume una lista de resistencias calculadas para las curvas I-V mostradas en la Figura 8.
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Pin |
RS @ EOC |
RSH @ ISC |
Tabla 2 – Lista de resistencias en serie RS y resistencias en derivación RSH calculadas para diferentes intensidades de luz.
Los resultados muestran que tanto las RS como las RSH disminuyen al aumentar la intensidad de la luz. Los valores RS más bajos tienden a aumentar el factor de llenado y la eficiencia de un DSC. Sin embargo, la disminución de los valores de RSH puede afectar negativamente al rendimiento de un DSC.
Ambas tendencias pueden explicarse por el aumento de las conductividades causadas por las mayores temperaturas dentro de la célula. La siguiente sección explica el efecto de la temperatura en un DSC. También aborda varias cuestiones que deben tenerse en cuenta al realizar experimentos con DSC.
Dificultades al medir células solares
Cambios de temperatura
Los cambios de temperatura afectan al rendimiento de una célula solar de colorante. Las células solares de colorante se calientan cuando la luz incide sobre la célula. Esto puede afectar al factor de llenado, así como a la eficiencia de una DSC.
Las células solares de colorante son muy sensibles a los cambios de temperatura, ya que incorporan materiales semiconductores. La brecha de banda del semiconductor se estrecha con el aumento de la temperatura (véase también la figura 2).
Esto conduce, por un lado, al aumento de las conductividades. Como resultado, la corriente de cortocircuito aumenta. Por otro lado, el potencial de circuito abierto disminuye. La figura 10 ilustra este efecto.
Para este experimento, se enfocó la luz sobre un DSC frío y se midieron varias curvas I-V consecutivas (de brillante a oscuro). La intensidad de la luz se mantuvo constante en 37,2 mW.
Figura 10 – Curvas I V en diferentes ciclos. Se muestran los ciclos 1º, 5º, 10º, 20º, 30º, 40º, 50º, 60º y 70º (de brillante a oscuro). Para más detalles, véase el texto.
Al principio, la luz incidente calienta lentamente la célula solar . En esta fase, la corriente de cortocircuito y el potencial de circuito abierto se desvían significativamente y las pendientes de las curvas cerca de ISC y EOC cambian.
Las curvas I-V comienzan a superponerse no hasta después de 40 ciclos cuando la temperatura de la célula se estabilizó.
Nota: Para una correcta evaluación de los datos, es necesario estabilizar la temperatura de la célula. La ejecución de varios ciclos consecutivos ayuda a verificar que la temperatura es constante. Sólo los datos de las curvas I-V superpuestas deben utilizarse para los cálculos finales.
Tasa de barrido
Otro parámetro relevante al medir las curvas I-V es la tasa de barrido. Una velocidad de barrido elevada puede provocar una histéresis significativa entre el ciclo de avance y el de retroceso (véase la Figura 11).
Figura 11 – Efecto de histéresis entre el ciclo de avance y el de retroceso durante un experimento de IV.
La histéresis se debe principalmente a los efectos de polarización, así como a los cambios inducidos por la luz en la química de la célula. Las diferencias entre el ciclo de avance y el de retroceso dificultan la evaluación de los datos y pueden conducir a resultados erróneos. Para encontrar una velocidad de barrido adecuada, le recomendamos que realice varios ciclos mientras ajusta la velocidad de barrido.
Las velocidades de barrido bajas aumentan el tiempo de medición pero reducen el efecto de histéresis. Además, las velocidades de barrido bajas permiten el funcionamiento de la célula en estado estacionario. Si las curvas I-V sólo muestran una histéresis menor, se pueden promediar juntos los datos del ciclo directo e inverso.
Resumen
Esta nota de aplicación se refiere a las mediciones con células solares de colorante (DSC). Se discuten los principios básicos y la configuración de las DSC. Además, se explican y calculan varios parámetros importantes.
Se realizan experimentos con DSC reales utilizando un LED rojo. Se miden las curvas I-V y se convierten en curvas de potencia. Ambas curvas se utilizan para calcular diferentes parámetros importantes para caracterizar el DSC.
Por último, se proporcionan consejos útiles para obtener mediciones y resultados mejores y más fiables.