Questionnaires

Aunque el uso de sistemas que incluyen varios colorantes activos en rangos espectrales complementarios se ha propuesto como estrategia para aumentar y extender hacia el rojo el rango de absorción óptica de las DSCs, las eficiencias obtenidas no han superado en muchos casos la correspondiente a dispositivos optimizados empleando un solo tipo de material absorbente [38-43]. Puesto que la utilización de sistemas pancromáticos aseguraría un aprovechamiento más eficiente del espectro solar y, por tanto, una mejora en la eficiencia de las DSCs, en los últimos años se han planteado distintas alternativas al respecto. Entre ellas cabe destacar la implementación de estructuras que darían lugar a un mayor tiempo de residencia de fotones correspondientes a un cierto rango de longitudes de onda dentro de la lámina activa, mejorando de esta manera su probabilidad de absorción y, así, la corriente fotogenerada por el dispositivo. A pesar de que éstas han sido ya evaluadas en otros tipos de celdas solares que emplean láminas delgadas de material

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absorbente [11,44-50], su uso en DSCs ha estado en gran parte limitado por la dificultad de encontrar estructuras porosas compatibles con el método de procesado de las mismas. Las dos aproximaciones que han recibido mayor atención en este sentido se basan en el uso de estructuras que dispersan la luz, tanto de forma difusa como especular, dentro de la celda para aumentar la eficiencia de recolección de luz solar.

En primer lugar, la incorporación de partículas de TiO2 de tamaño sub-micrométrico, las cuales pueden actuar como efectivos centros dispersores de luz, constituye una de las técnicas comúnmente empleadas para la amplificación de la eficiencia de conversión de las DSCs [51,52]. Éstas pueden implementarse en el diseño de la celda solar, bien formando una capa extra depositada sobre el electrodo de nanopartículas, bien integradas dentro de este último [53,54]. Cuando la luz incidente interacciona con dichas partículas, la dispersión originada dará lugar a un aumento del camino óptico para aquellos fotones que aún no han sido absorbidos por la lámina activa, aumentando así su probabilidad de recolección. En este punto es importante mencionar que los valores más altos de eficiencia publicados hasta el momento para este tipo de celdas solares se han conseguido incluyendo el diseño óptico mostrado en la Figura 3 [41-43], el cual dará lugar a una amplificación de la absorción óptica preferentemente en el rango de mayores longitudes de onda, que se verá traducida finalmente en una mayor fotocorriente generada por el dispositivo [55-57]. Aunque la dependencia del fenómeno de dispersión difusa de luz con el tamaño de partícula se ha comprobado experimentalmente [58,59], el desarrollo de modelos teóricos que permitan analizar el efecto que los distintos diseños propuestos pueden tener sobre las características ópticas y electrónicas del dispositivo en condiciones de funcionamiento sigue siendo imprescindible para la propuesta de celdas con un rendimiento optimizado. Además, dado que la dispersión de luz por partículas desordenadas no es selectiva al rango de longitudes de onda empleado para las DSCs, el uso de este tipo de estrategias tiene en común la pérdida de transparencia del dispositivo, considerada el valor añadido más importante para su posible aplicación como elementos arquitectónicos funcionales, por ejemplo, como módulos de ventana.

Una variante explorada recientemente consiste en la incorporación de partículas que presentan al mismo tiempo excelentes propiedades como materiales absorbentes de luz, debido a una estructura jerarquizada de poros que permite incrementar el área superficial para el anclaje de moléculas de colorante, y como elementos dispersores [60-64]. Un funcionamiento optimizado de estos materiales dentro de la celda, ya sea como material base formando la capa activa o como lámina implementada para la retro-dispersión de luz, podría conseguirse a través del procedimiento de síntesis empleado, el cual permite diseñar tanto el tamaño como la porosidad interna de estos grandes agregados esféricos formados por nanocristales. La Figura 3 muestra también un ejemplo de la morfología típica presentada por este tipo de partículas.

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Figura 3. (a,b) Esquema correspondiente al diseño de una DSC en la cual se ha incorporado una lámina dispersora de luz y el efecto que tiene sobre el funcionamiento de la misma (datos extraídos de las referencias [57] y [58], respectivamente). (c-e) Imágenes de SEM correspondientes a partículas con una estructura jerarquizada de poro propuestas como eficientes elementos dispersores de luz (imágenes extraídas de la referencia [60]).

Por otra parte, el uso de materiales dieléctricos con un ordenamiento periódico de elementos en la escala sub-micrométrica fue propuesto a comienzos de los 80 como alternativa para aumentar la absorción óptica de celdas solares [65-67]. Posteriormente, E. Yablonovitch y S. John analizaron teóricamente este tipo de estructuras, referidas normalmente como cristales fotónicos, como posibles herramientas para manipular la propagación de la luz [68,69]. Dichos sistemas presentan una modulación periódica del índice de refracción a lo largo de una, dos o las tres direcciones del espacio, lo que da lugar a rangos de frecuencia prohibidos, conocidos también como band gaps fotónicos, a través de los cuales la luz no se puede propagar [70,71]. Como resultado de los fenómenos de difracción y/o reflexión de luz que tienen lugar en este tipo de materiales, debido a que las longitudes de onda correspondientes al band gap fotónico no pueden atravesar la estructura periódica, éstos presentan un color de origen estructural similar al observado en diversos elementos presentes en la naturaleza, tales como los ópalos y las alas de mariposa. El primer ejemplo de la incorporación de este tipo de arquitecturas en DSCs fue presentado en 2003 por S. Nishimura et al., los cuales lograron amplificar la fotocorriente de este tipo de dispositivos acoplando un ópalo inverso al electrodo de nanopartículas [72]. Esta estructura estaba formada por un ordenamiento periódico de huecos en una matriz de óxido semiconductor, en este caso de TiO2, permitiendo así una difusión adecuada del electrolito líquido. Posteriormente, A. Mihi y H. Míguez demostraron que el

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origen de este aumento podía ser atribuido al acoplamiento óptico del electrodo absorbente y el cristal fotónico [73], lo que daría lugar a modos resonantes parcialmente localizados dentro de la lámina absorbente en el rango espectral correspondiente al band

gap fotónico de la estructura periódica, con el consecuente aumento de la absorción óptica

[74]. La Figura 4 muestra los resultados obtenidos para este tipo de sistemas, tanto experimentales como teóricos, junto con imágenes de SEM correspondientes a secciones transversales de distintos cristales fotónicos tridimensionales (3DPCs). Estas observaciones dieron lugar a un interés creciente en el uso de este tipo de estructuras, ya que la amplificación de la absorción óptica podía tener lugar en el rango espectral deseado a través del diseño de sus band gaps fotónicos, permitiendo conservar así la semi- transparencia de las DSCs [75,76].

Figura 4. (a,b) Iridiscencia observada en ópalos y alas de mariposa como resultado de la ordenación tridimensional de sus componentes e imagen de SEM correspondiente a un ópalo artificial fabricado con esferas de SiO2. (c,d) Micrografías de SEM de ópalos inversos de TiO2 (imágenes extraídas de la

referencia [76]). (e,f) Comparación de la variación espectral de la fotocorriente y el espectro de absortancia obtenidos para una DSC en la cual se ha acoplado un ópalo inverso a la lámina absorbente (línea roja). En estas gráficas se incluyen también los datos correspondientes a una DSC fabricada empleando un electrodo nanocristalino de TiO2 (línea negra) (datos extraídos de las

referencias [72,73]).

In document Implementation of e-procurement by the Gauteng Department of Infrastructure Development and its impact on the development of small and medium construction firms (Page 90-95)