En la Figura 4.13 se muestra la respuesta voltamperométrica de las películas del TiO2 comercial y TiO2-C (figura 4.13 A y B respectivamente), a partir
de un potencial de circuito abierto de EOCP =0.01 V en dirección catódica, hasta un potencial de inversión de Eλ= -1.5 V, para después barrer en dirección anódica hasta 1.5 V. En la respuesta voltamperometría sin luz para TiO2-C y el comercial
se aprecia un pico catódico ancho poco definido a -1.2 V y un poco anódico a - 1.25 V asociados con el proceso de adsorción y desorción de protones, respectivamente., y finalmente un pico anódico poco perceptible a 0.75 V. Las respuestas voltamperométricas de estos semiconductores generalmente se describen con dos zonas, zona de carga y de descarga. La zona de carga, de -1.5 a -0.7 V, es fácilmente identificable por la acumulación de carga mediante un proceso de adsorción y desorción de protones. Por otra parte, la zona de descarga de -0.2 a 0.5 V presenta una corriente iguala 0 cuando el semiconductor se encuentra en condiciones de oscuridad. En contraste cuando la respuesta voltamperométrica es obtenida bajo condiciones iluminadas, en la zona de descarga se puede observar una fotocorriente, la cual, para el caso del TiO2
comercial fue alrededor de 0.15 mA/cm2, mientras que para el caso del TiO2-C
está fotocorriente alcanzó valores de 0.6 mA/cm2. Además, a condiciones de iluminación se observan diferentes picos de corriente alrededor de -0.7 V, los cuales están relacionados a estados intermediarios causados por el atrapamiento de fotoelectrones.
La Figura 4.14 (A) muestra las fotocorrientes obtenidas por voltametría cíclica para las películas de ZnO-C. Las voltamperometrias ciclicas se llevaron a cabo dentro de un rango de potencial de 1.5 a 0.5 V vs. Ag / AgCl / NaCl 3M, con un potenciaal de barrido de 20 mV s 1en un medio electrolitico de etanol y LiClO4, en
dirección catódica a partir del potencial de circuito abierto. Al igual que en el caso del TiO2, para el ZnO se pueden observar las zonas de carga y de descarga; a
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Maestría en Ciencias Ambientales potenciales más negativos que -0.75 V y más positivos que -0.5 V, respectivamente. Las fotocorrientes medida para estos materiales fueron 0.35 y 0.1 A/cm2 para el material comercial y el modificado, respectivamente. Lo anterior
muestra que la modificación no ayudo a mejorar la respuesta a la luz UV del semiconductor; sin embargo, esto no necesariamente contradice las disminuciones en los bandgap que se mostraron en la sección 4.3. Lo anterior debido a que se observan cambios en el Eocp, tanto a condiciones de oscuridad como a condiciones de iluminación, así como en la posición (potencial) y magnitud (corriente) de las zonas de carga (figura 4.14). Los cambios en el Eocp, que a condiciones de oscuridad representa la hetero union entre la banda de valencia del semiconudctor y el FTO, se mueven a valores más positivos después de la modificación del ZnO, mientras que el valor del Eocp a condiciones de iluminación alcanza valores menos negativos. Por otra parte, la zona de descarga aparece a valores de potencial menos negativos y alcanza magnitudes de corriente mayores. Al analizarse juntos, estos cambios podrían indicar que la banda prohibida del semiconductor se redujo después de la modificación, debido a que el potencial de la banda de valencia se hizo más negativo, mientras que el de la de la banda de conducción se hizo más positivo. Nótese que algo similar ocurre cuando se analizan detalladamente los Eocps y zona de descarga de los semiconductores con base en TiO2. Al observarse con este enfoque los estos resultados no
contradicen la disminución en el band gap, y la disminución en corriente podría explicarse a algún otro parámetro como el tamaño de las partículas de semiconductor, su masa en el electrodo, o la presencia de otros materiales debido al HA.
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Maestría en Ciencias Ambientales Figura 4.13. Voltamperometría cíclica: TiO2 comercial (A) y TiO2-C (B).
-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 Luz apagada Luz encendida E (V vs Ag/AgCl/NaCl 3M) inte nsida d d e co rr ient e ( mA/cm 2 )
A
TiO2 comercial -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 Luz encendida Luz apagada E (V vs Ag/AgCl/NaCl 3M) inte nsida d d e co rr ient e ( mA/cm 2 ) TiO2-CB
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Maestría en Ciencias Ambientales Figura 4.14. Voltamperometría cíclica: ZnO-C(A) y ZnO comercial(B)
-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 Luz encendida Luz apagada E (V vs Ag/AgCl/NaCl 3M) Int en sidad de cor rien te (mA/cm 2 )
A
ZnO-C -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 Luz encendida Luz apagada E (V vs Ag/AgCl/NaCl 3M) inte nsida d d e co rr ient e ( mA/cm 2 )B
ZnO comercial63
Maestría en Ciencias Ambientales 4.9 Conclusión.
Se sintetizaron semiconductores de TiO2 y ZnO dopados con carbono, como
precursor de este último se utilizó biomasa lignocelulósica, esta síntesis se llevó a cabo por el método solvotermico asistido por microondas, el cual resultó ser un método altamente eficiente en cuanto a tiempo. Los materiales obtenidos tuvieron morfologías definidas, pues para el ZnO se lograron ver esferas homogéneas con tamaños micrométricos, en comparación con el TiO2 el cual resultó tener tamaños
nanométricos y una morfología un tanto definida, el tamaño de las partículas es una pauta muy importante en este tipo de materiales, puesto que el tamaño nanométrico en el caso del TiO2-C que fue de 5nm, favorece a la transferencia de
electrones, puesto que hay un mayor contacto entre cada partícula evitando que los electrones se recombinen rápidamente y por ende se vislumbra que puede aumentar la fotocorriente de un foto ánodo en la DSSC. Por otro lado, el tamaño macrométrico de los semiconductores de ZnO-C no favorece el proceso de transporte de electrones, pues por el tamaño de partícula no se tiene un alto contacto entre partículas y en consecuencia se tiene fugas de electrones, lo que origina que el tiempo de vida del par hueco-electrón sea mas corto, y por lo anterior se puede tener una baja fotocorriente en el fotoanodo. Aunado al tamaño de partícula de los semiconductores, es importante tener fases cristalinas que ayuden en la absorción de la luz visible, en este trabajo se logró sintetizar TiO2-C
con una proporción de 78% de fase anatasa y el resto de rutilo.
En comparación con los semiconductores comerciales los semiconductores dopados mostraron un mayor corrimiento de la Ebg hacia la región visible de
espectro electromagnético, principalmente en el TiO2. El resultado de la Ebg
depende directamente de la concentración del hidrolizado ácido de bagazo de agave, se demostró que, a altas concentraciones de este, se obtiene un mayor corrimiento de la Ebg, como fue el caso del TiO2-C el cual presento una Ebg de 2.9
eV, en comparación con la Ebg del TiO2 comercial el cual tiene una Ebg de 3.27
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Maestría en Ciencias Ambientales La evaluación de las propiedades fotoeléctricas de los materiales se pudo evaluar correctamente mediante las técnicas de Voltamperometría cíclica y Potencial de circuito abierto. Para el caso del TiO2-C este mostró un aumento en su
fotocorriente cuando fue iluminado con luz UV. Por otro lado, el ZnO-C no mostró un aumento en la fotocorriente al compararse con el material sin modificar; sin embargo, los potenciales de circuito abierto en condiciones de oscuridad e iluminación, así como la zona de descarga en los voltamperogramas, parecen indicar que la banda prohibida de este material si disminuyó después de la modificación. Una disminución en la banda prohibida de los semiconductores puede impactar positivamente en la DSSC al ser empleados como fotoelectrodos debido a disminuiría la resistencia total del sistema y por lo tanto aumentarían la eficiencia de esta. Además, debido a que al parecer los potenciales de banda de conducción y banda de valencia se movieron hacia valores más positivos, el uso de estos semiconductores podría implicar una mayor libertad a la hora de escoger un colorante adecuado para la celda solar.
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