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CELDA SOLAR DE GRÄTZEL
Méndez Hidalgo Andrés & Monsibais Silva Erick Facultad de Ciencias, Universidad Nacional Autónoma De México Laboratorio de física contemporánea I, 28 de Noviembre de 2013
OBJETIVOS
Elaboración de una celda solar Grätzel, estudiando sus propiedades fotoelectroquímicas.
Medir los parámetros físicos que caracterizan a una celda solar.
RESUMEN
Fue posible la construcción y operación de dos celdas de Grätzel a partir de cuatro
vidrios recubiertos de ITO, un recubrimiento de dióxido de titanio como
semiconductor y solución de yodo como catalizador. Con una eficiencia de
1.192𝑥10−4 ± 1.3𝑥10−7𝑊 y una resistencia de carga de 217 Ω.
INTRODUCCION
Una celda Grätzel o DSC (Dye-sensitized Solar Cell), consiste de la formación de
dos electrodos de vidrio con el fin de realizar el transporte electrónico, tienen sobre
su superficie una capa transparente de algún óxido conductor, uno de los cuales
tiene depositada una capa porosa de algún semiconductor, capaz de absorber
cierto tipo de radiación, siendo este electrodo el encargado de atrapar la radiación
solar, se usa un tinte que permite aprovechar más el espectro de radiación solar y
aumentar la captación de fotones, mientras que otro electrodo cuenta con una
capa de platino o grafito sobre la superficie del óxido conductor el cual funciona
como un catalizador en la reducción de un electrolito. El electrolito, fue inspirado
en la madre naturaleza al estudiar a las porfirinas y a la molécula de la clorofila.
Debido a que el principal papel de las clorofilas en la fotosíntesis, es la absorción
de los fotones de luz con la consiguiente excitación de un electrón. Ese electrón
excitado cede su energía, a algún pigmento auxiliar (a veces a otras clorofilas),
donde se repite el fenómeno. Al final de toda la cadena el electrón excitado facilita
la reducción de una molécula, quedando así completada la conversión de una
pequeña cantidad de energía luminosa en energía química, una de las funciones
esenciales de la fotosíntesis. Así pues, el electrolito utilizado es un solvente
orgánico.
En 1991, Michael Grätzel en colaboración con Brian O’Regan, perfeccionan un
dispositivo capaz de mejorar la absorción de radiación a través de una capa de
TiO2 (Dióxido de Titanio) depositada sobre uno de los electrodos, que permitía una
mejor eficiencia, así como una mejor inyección de electrones de la banda de
conducción del tinte orgánico a la banda de conducción del semiconductor.
Figura1.- Esquema representativo de una celda solar Grätzel.
Los procesos que tienen lugar para la conversión de luz en electrones dentro de
una celda solar Grätzel son: un fotón incide sobre la celda, es absorbido por el
tinte y promueve un electrón de su banda de valencia hacia su banda de
conducción. Este electrón se inyecta en la banda de conducción del
semiconductor, se difunde por toda la capa y llega al Óxido conductor sobre el
sustrato. La molécula de tinte que se oxidó al perder un electrón, lo recupera por
medio del electrolito que cuenta con un par de oxidación-reducción de yoduro-
triyoduro.
El electrón recorre el circuito externo y continua hasta el contra electrodo donde
reduce al yoduro y regenera así la solución electrolítica, cerrando el circuito.
Figura2.- Representación de los procesos que tienen lugar dentro dela celda solar
Grätzel.
Las diferencias entre las celdas solares Grätzel y las convencionales son:
En la celda Grätzel la absorción de luz y el transporte de cargas se realizan
separados, mientras que en las celdas convencionales ambos procesos se llevan
a cabo en el semiconductor.
Es necesario un campo eléctrico para separar las cargas en una celda
convencional, mientras que en la Grätzel el transporte de cargas ocurre
principalmente por difusión.
En las celdas convencionales coexisten los portadores mayoritarios y minoritarios
dentro del mismo material, por lo que estas celdas son susceptibles a
recombinación y requieren la ausencia de impurezas para disminuir este efecto.
En la celda Grätzel, el transporte de electrones ocurre en el semiconductor y el
transporte de huecos ocurre en el electrolito. Por lo que los procesos de
recombinación solo pueden ocurrir en la interface entre estos componentes.
MARCO TEORICO
FOTOELECTRODO
Sobre un sustrato de vidrio que tiene una capa de un óxido conductor transparente
se realiza el depósito de la primera capa compacta del semiconductor (TIO2) de
unos cuantos micrómetros de espesor y que mejorara el contacto con el óxido
conductor transparente. Sobre esta capa compacta se realiza el depósito de la
capa porosa del mismo semiconductor, que será la que tendrá mayor superficie
sobre la cual se adherirá el sensibilizador.
El semiconductor realiza tres funciones en este tipo de celdas:
Provee la superficie para la absorción del tinte.
Es un aceptor de electrones provenientes de las moléculas del tinte.
Funciona como un conductor de electrones.
Entre varios semiconductores que han sido estudiados para aplicaciones
fotoelectroquímicas, el TiO2 es el más frecuente usado debido a sus propiedades
energéticas, su estabilidad y la acidez de Lewis de su superficie, lo que permite la
adherencia de tintes. Es un material de bajo costo y ampliamente disponible. Ha
sido demostrado que el TiO2 con sus propiedades únicas contribuyen al éxito de la
celda Grätzel, a pesar de existir semiconductores con una banda prohibida similar.
SENSIBILIZADOR
El tinte es el elemento fotoactivo en el dispositivo fotovoltaico. Es el encargado de
recolectar la luz incidente para la conversión de fotones a electrones, por lo que
debe cumplir ciertos requerimientos.
Propiedades fotoquímicas: el tinte debe cubrir un rango amplio del espectro
solar. Más del 50% de la energía solar se emite en la región de 400 a 800 nm.
Además el estado de excitación del tinte debe tener un tiempo de vida lo
suficientemente largo para lograr una inyección de electrones eficiente.
Propiedades Electroquímicas: para una inyección eficiente de electrones el
potencial de oxidación del tinte en estado excitado necesita ser más negativo que
el potencial de la banda de conducción de semiconductor. Por otro lado, el
potencial de oxidación del tinte en su estado oxidado debe ser más positivo que el
potencial de oxidación del sistema regenerador.
Estabilidad: El tinte debe tener estabilidad a largo plazo para la
caracterización y reproducibilidad del dispositivo.
Algo muy importante en el tipo de sensibilizadores orgánicos es que tienen la
ventaja de poder seleccionar la región de absorción, ajustando el tamaño de sus
partículas constitutivas.
CONDUCTOR DE CARGAS POSITIVAS (HUECOS)
El conductor de huecos regenera al tinte oxidado después de inyectarle electrones
al semiconductor, y transporta la carga positiva hacia el contraelectrodo. Para
realizar una buena función como mediador debe llenar los siguientes requisitos.
Propiedades electroquímicas: para permitir la reducción del tinte oxidado, el
potencial de reducción debe ser más negativo que el tinte oxidado. Por otro lado,
la diferencia entre los dos potenciales debe ser lo suficientemente grande para
proveer de la fuerza necesaria para la reducción del tinte, y además la reducción
deber ser reversible en el contraelectrodo. Debe ser inerte con el semiconductor y
algo muy importante, el mediador (electrolito) en su forma oxidada no debe
interferir con el tinte en su estado excitado o en su defecto, que esta reacción sea
lo suficientemente lenta para que se lleve a cabo la inyección del electrón
proveniente del tinte, hacia el semiconductor.
Propiedades fotoquímicas: el mediador no debe llevar a cabo absorción
significativa de radiación en el rango visible, de esta forma se evita cualquier
efecto de filtrado interno. Esto es particularmente importante si se ilumina el
dispositivo desde el contraelectrodo.
Y en lo que respecta a su morfología, el conductor de huecos debe ser fácilmente
procesable, y no debe degradar al tinte absorbido al semiconductor.
CONTRAELECTRODO
El contraelectrodo idealmente debe mostrar una baja resistividad, y proveer un
buen contacto hacia el conductor de cargas positivas. Se han propuesto diferentes
materiales para su elaboración como lo es el aluminio con platino, grafito, inclusive
oro.
La siguiente figura muestra un arreglo completo de la celda con todos sus
componentes.
Figura3.- Esquema de una celda solar Grätzel de dióxido de titanio con colorante.
Caracterización de la celda solar.
Una celda solar se puede representar por el siguiente circuito equivalente:
Figura4.- Circuito equivalente de una celda solar.
Este circuito tiene una fuente de corriente (L), un diodo (D), una resistencia interna
en paralelo de la unión que presenta cuando se tiene polarización directa (Rsh),
una resistencia en serie debido a los contactos eléctricos entre los conductores y
la celda solar (Rs) y un parámetro característico de la unión p-n (A).
Las variables experimentales, correspondientes al circuito anterior polarizado
directamente, están relacionados como se indica en la siguiente ecuación.
𝐼 = 𝐼0 [𝑒(𝑞(𝑉−𝐼𝑅𝑠)
𝑘𝑇) − 1] +
(𝑉−𝐼𝑅𝑠)
𝑅𝑠ℎ− 𝐼𝐿 (1)
Donde el término exponencial tiene que ver con las corrientes intrínsecas propias
de los huecos y electrones en la unión p-n.
En general, la ecuación (1) describe el comportamiento de una celda solar. Sus
parámetros se tienen que encontrar de una curva de medición de voltaje (V) contra
la corriente (I). La curva de V-I que representa a la ecuación (1) se muestra en la
siguiente figura.
Figura5.- curva de voltaje en función de la corriente.
El circuito de balance de la celda solar tiene una configuración interna como está
indicada en la figura 6, este circuito sirve como fuente de voltaje directa y muy
fácilmente regulable.
Figura6.- configuración interna del circuito de balance de la celda solar.
Para el cálculo de los parámetros que se involucran la ecuación (1), se hace lo
siguiente:
Para valores V negativos, el circuito de la figura 4 se reduce al siguiente:
Figura7.- polarizado inversamente y sin iluminación.
Debido a que al polarizarse la fotocelda en sentido inverso (V<0) y sin iluminación
(IL=0) se tiene:
𝑉 = 𝐼(𝑅𝑠 + 𝑅𝑠ℎ) (2)
De tal forma que de los datos medidos, se puede calcular la pendiente de un
ajuste lineal y obtener el valor de
𝑅𝑝 = 𝑅𝑠 + 𝑅𝑠ℎ (3)
Para valores V de polarización directa, muy grandes, el circuito de la figura 4 se
reduce al presentado en la figura 8.
Figura8.- polarización directa.
Debido a que al polarizarse la fotocelda, el voltaje a través de ella se considera
constante Va. Esto es equivalente a alejarse mucho de la rama de la gráfica de la
figura 5 en la regio V>0 y I>0. Con esto se tiene que:
𝐼 =(𝑉−𝑉𝑎)
𝑅𝑠 (4)
Que conduce a:
𝑉 = 𝑅𝑠𝐼 + 𝑉𝑎 (5)
De los datos obtenidos por un ajuste lineal se calcula el valor de Rs, que junto con
la ecuación (3) se obtiene el valor de Rp.
Para encontrar el valor de la resistencia de carga RL de los datos obtenidos de la
corriente I<0 en función del voltaje a V>0, hacer una gráfica de la potencia P= 𝑉𝐼
contra 𝑅 = 𝑉𝐼⁄ y de la curva observar para que valor de potencia máxima 𝑃 = 𝑃𝑚
se obtiene la resistencia de carga RL.
La eficiencia de una celda solar η se define como el cociente de la potencia
máxima obtenida (Pm) dividida entre la potencia generada por la iluminación que
incide en la celda solar (Pi).
𝜂 =𝑃𝑚
𝑃𝑖 (6)
El factor de llenado ff se define como:
𝑓𝑓 =𝑉𝑚𝐼𝑚
𝑉𝑜𝑐𝐼𝑠𝑐 (7)
De los valores de Pm y RL se obtienen los máximos Im y Vm y de la intersección de
la curva experimental con los ejes, Voc para I=0 e Isc para V=0.
DESARROLLO EXPERIMENTAL
Para realizar el experimento se requieren los siguientes materiales.
ELABORACION DE LA CELDA SOLAR GRÄTZEL
4 vidrios con capa conductora y transparente de 1mm de espesor
recubierto con una delgada película de óxido de Indio (ITO).
Mortero con pistilo.
Guantes de latex.
Cubre bocas.
Vinagre.
Dióxido de Titanio
Probeta.
Gasas.
Yodo en solución (electrolito).
2 colorantes naturales.
Clips metálicos.
Secadora de cabello.
Horno.
Lámpara de alcohol mezclado con agua. (Hollín).
Multímetro HP MUL-600
Cinta adhesiva.
Gotero.
2 vidrios Petri.
Tubo delgado de vidrio.
Cronometro.
Pinzas grandes.
Guantes ***
CARACTERIZACION DE LA CELDA SOLAR GRÄTZEL
o 2 multímetros HP Hewlett Packard 34401ª
o Lámpara con un foco de 75 W.
o 2 soportes universales.
o 2 varillas con 2 nueces.
o Fuente de voltaje.
o Circuito de balance de la celda solar.
Elaboración las celdas solares Grätzel.
Antes de comenzar a trabajar en la elaboración de las celdas solares Grätzel, es
importante colocarse el cubre bocas y los guantes de látex, por prevención y para
evitar que la humedad de las manos esté en contacto con los cristales
conductores ITO.
Vamos a trabajar con placas conductoras. Estas placas de vidrio son cubiertas con
una película conductora de ITO que permiten el paso de la corriente. Para saber
cuál es el lado conductor medimos la resistencia eléctrica con un multímetro HP
MUL-600. El lado conductor debe tener una resistencia de 20 a 30 Ohmios,
mientras que el lado no conductor tendrá una resistencia infinita (a veces
mostrada como un "1" en el multímetro).
Fijamos las placas de vidrio con el lado conductor hacia arriba a la mesa con una
cinta mágica adhesiva para poder trabajar con ellas en los siguientes pasos.
Figura 9. Montaje de las placas de vidrio
Preparación de la solución de TiO2.
En una probeta agregamos 10 ml de vinagre. Vaciamos el vinagre en un
mortero y agregamos 6 g de Dióxido de Titanio, con el pistilo agitamos de
manera suave y homogénea. La solución debe estar lo suficientemente
delgada (como una pintura blanca) para poder ser absorbida por un gotero.
Figura 10. Solución de dióxido de titanio
Preparación del electrodo negativo (-)
Con ayuda de un gotero depositamos la solución sobre la placa conductora de
manera homogénea. (Usar una placa de vidrio para ayudar a homogenizar la
mezcla). Si el resultado no es satisfactorio, limpiar la lámina con un paño húmedo
y repetir la operación. Cuidado de no tocar la mezcla con las manos porque la
eficiencia de la célula se verá reducida.
Figura 11. Película de titanio sobre el vidrio conductor
Usando un secador eléctrico, valga la redundancia, secamos la solución hasta que
la humedad se haya evaporado. Retiramos las cintas adhesivas con mucho
cuidado de no tocar la solución.
Ahora colocamos la lámina con dióxido de titanio dentro de un horno a una
temperatura entre 450°C y 550°C por diez minutos. También podemos usar un
mechero Bunsen y calentar la placa a unos diez centímetros de la llama azul por
unos tres a cinco minutos. La cubierta blanca cambiará de un color blanco a uno
marrón después de un minuto y después regresará a su color nuevamente.
Posteriormente de retirar la lámina del horno dejaremos que la lámina se enfrié.
Preparación del electrodo positivo (+)
Tomando otra lamina conductora ITO, se determinar el lado conductor para
proceder a limpiarla, ahumamos con un mechero de petróleo hasta que quede
totalmente oscura. La literatura nos sugería hacerlo con una capa de grafito, pero
debido a las circunstancias que con el grafito no se pudo impregnar sobre la
lámina conductora, se usó el humo negro del hollín. También se puede quemar el
lado conductor con una vela o pintarla con un lápiz de grafito.
Figura 12. Electrodo positivo
Coloración del electrodo negativo (-)
Podemos usar una gran variedad de tintes para pintar nuestra célula: té negro,
jugo zarzamora, cochinilla, jugo de uva, jugo de remolacha, jugo de mora, etc.
Colocamos el jugo en una placa Petri lo suficientemente grande para sumergir la
placa con TiO2 con el lado blanco hacia abajo. Dejar reposar la placa unos 10
minutos hasta que el TiO2 deje de ser blanco y tenga el color del tinte. Limpiamos
los bordes de la lámina y secamos después la lámina con un secador.
Figura 13. Tintura de la capa de dióxido de titanio.
Montaje de la célula solar
Juntamos los dos electrodos usando dos clips metálicos. La capa con TiO2 debe
estar en contacto con la capa con grafito, pero debe haber un desfase entre ellas
para poder colocar los contactos del multímetro después. Para activar la célula
colocamos una gota de solución de yodo.
Figura 14. Celdas terminadas
Medición de la corriente eléctrica.
Para observar el funcionamiento de la célula, conectamos la célula a un
multímetro HP MUL-600 y se procedió a medir la corriente eléctrica. Observamos
que la tensión aumento lentamente.
Figura 15. Funcionamiento de las celdas
Caracterización de las celdas.
Colocamos dos soportes universales y dos varillas con dos nueces como sujetador
de la lámpara, como se observa en la figura 16, por otro lado conectamos los
multímetros HP Hewlett Packard 34401ª al circuito de balance solar como se
muestra en la figura 17.
Figura 16.- Montaje experimental.
Un multímetro HP va conectado por medio de un cable banana-banana a (V) para
medir el voltaje y el otro multímetro va conectado por medio de un par banana-
banana a (I) para medir corriente, la terminal (C) corresponde a la conexión del par
banana-caimán con la celda solar Grätzel elaborada anteriormente. Por otro lado
con un cable trifásico se conecta el heliplot y el GND. La incertidumbre para el
voltaje del multímetro Hp Hewlett Packard 34401ª es de ± (0.0035 lectura + 0.0005
rango), mientras que al medir corrientes su incertidumbre es ± (0.050 lectura +
0.020 rango)
Figura17.- Circuito de balance de la celda solar.
Procedemos a apagar la luz del cuarto y encender la lámpara, con esta misma
iluminación comenzamos a medir corriente (I) y voltaje (V) recibida en la celda
solar Grätzel.
Figura18.- Celda solar Grätzel conectada al circuito de balance.
RESULTADOS
Se elaboraron dos celdas solares Grätzel y al analizar los datos se obtuvo que al
graficar la corriente generada por la celda solar en función del voltaje aplicado se
observa el comportamiento de un diodo.
Figura19.- Representación de la corriente en función del voltaje. Celda 1.
Figura20. Representación de la corriente en función del voltaje. Celda 2.
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
-2.500 -2.000 -1.500 -1.000 -0.500 0.000 0.500 1.000 1.500 2.000
CO
RR
IEN
TE (
mA
)
VOLTAJE (V)
I vs V
Ser…
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5
CO
RR
IEN
TE (
mA
)
VOLTAJE (V)
I vs V
Seri…
Las curvas anteriores, de acuerdo a lo encontrado en la literatura (figura 5)
representan gráficamente a la ecuación (1), por lo tanto describen cada una el
comportamiento de una celda solar.
Para valores de voltaje negativos el circuito de la figura 4, se reduce al circuito
mostrado en la figura 7, así que al linealizar estos datos de voltaje en función de la
corriente obtenemos una relación como la mostrada en la ecuación (2), así al
realizar un ajuste de mínimos cuadrados lineal, podemos obtener la pendiente de
la ecuación (2) y obtener la ecuación (3).
Figura21.- Representación del voltaje en función de la corriente. Celda 1.
Figura22.- Representación del voltaje en función de la corriente. Celda 2.
y = 0.2308x - 0.2936R² = 0.9602
-2
-1.5
-1
-0.5
0
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
CO
RR
IEN
TE m
(A)
VOLTAJE (V)
LINEALIZACION V NEGATIVOS
Series1 Lineal (Series1)
y = 0.2139x - 0.4269R² = 0.9701
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1
VO
LTA
JE (
V)
CORRIENTE (mA)
LINEALIZACION V NEGATIVOS
Usando la ecuación (2), se obtiene que al graficar el voltaje en función de la
corriente, se obtiene como pendiente, a la resistencia equivalente Rp de la
ecuación (3).
CELDA Rp (m ± ∂m) (Ω)
1 0.2307 ± 0.0135
2 0.2139 ± 0.0108
Tabla1.- después de un ajuste lineal, se obtiene como pendiente, el valor de la
resistencia Rp equivalente de la ecuación (3), para cada una de las dos celdas
solares.
Para valores de voltaje positivos el circuito de la figura 4, se reduce al circuito
mostrado en la figura 8, así que al linealizar estos datos de voltaje en función de la
corriente obtenemos una relación como la mostrada en la ecuación (5), así al
realizar un ajuste de mínimos cuadrados lineal, podemos obtener la pendiente de
la ecuación (2) y conocer el valor de Rs.
Figura23.- Representación del voltaje en función de la corriente. Celda 1.
Figura24.- Representación del voltaje en función de la corriente. Celda 2.
y = 0.1265x + 0.2259R² = 0.9429
0.000
0.500
1.000
1.500
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
VO
LTA
JE (
V)
CORRIENTE (mA)
LINEALIZACION V POSITIVOS
Series1Lineal…
y = 0.2891x + 0.1882R² = 0.9851
0
0.5
1
1.5
2
-1 0 1 2 3 4 5 6
VO
LTA
JE (
V)
CORRIENTE m(A)
LINEALIZACION V POSITIVOS
Series1
Usando la ecuación (5), se obtiene que al graficar el voltaje en función de la
corriente, se obtiene como pendiente, la resistencia Rs.
CELDA RS (m ± ∂m) (Ω)
1 0.1264 ± 0.0076
2 0.289 ± 0.007
Tabla2.- después del ajuste lineal, se obtiene como pendiente, el valor de la
resistencia Rs.
De los datos obtenidos de la tabla 2, se obtuvo la resistencia Rs, que
sustituyéndolos en la formula dada por la ecuación (3) a saber 𝑅𝑝 = 𝑅𝑠 + 𝑅𝑠ℎ, y
sustituyendo también los datos obtenidos en la tabla 1 (Rp), podemos determinar
el valor de Rsh como 𝑅𝑠ℎ = 𝑅𝑝 − 𝑅𝑠
CELDA Rsh (Ω)
1 0.1043 ± 0.0059
2 -0.0751 ± 0.0038
Tabla3.- valor de la resistencia Rsh.
La ecuación (1) considera a la celda solar como un generador de corriente. La
curva característica de I-V usualmente se utiliza en el primer cuadrante, así que
cambiando el signo de la corriente tal como se muestra en la figura 24, podemos
encontrar los demás parámetros.
Para encontrar la resistencia de carga RL, buscamos el potencial que hace que la
corriente se tenga un valor máximo, para ello es necesario graficar la potencia P,
contra la resistencia R, y observar el valor donde la potencia P se hace máxima.
Figura25.- Representación de la potencia en función de la resistencia. Celda 1.
0
2
4
6
8
10
12
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
PO
TEN
CIA
(m
W)
RESISTENCIA (Ω)
P vs R
Figura26.- Representación de la potencia en función de la resistencia. Celda 2.
De los valores de P máxima y de la resistencia de carga RL, se obtienen los
máximos Im y Vm. como se muestra en la siguiente figura 25.
La corriente óptima Im es la intensidad que circula por la celda en el punto de funcionamiento óptimo, teniendo aplicada una carga RL de valor óptimo, elegida de modo de que la potencia eléctrica sea máxima. La tensión óptima Vm es la tensión que origina la corriente óptima, al ser aplicada sobre una carga RL de valor óptimo, elegida de modo de que la potencia eléctrica sea máxima.
Figura27.-curva característica de una celda solar. Determinación de los
parámetros Im, Vm, VCA, Icc.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
PO
TEN
CIA
[m
W]
RESISTENCIA (Ω)
P vs R
De la figura 25, se puede deducir la corriente de cortocircuito Icc correspondiente a
una tensión nula entre contactos Icc ≅ If. Y la tensión a circuito abierto VCA,
correspondiente a I=0.
La corriente de cortocircuito es una magnitud es la intensidad que circula con la
celda en cortocircuito, con una iluminación determinada y fija. Su valor es
directamente proporcional a la energía solar recibida, y por lo tanto a la superficie
total y al nivel de iluminación.
La tensión a circuito abierto es la diferencia de potencial entre los bornes de la
celda en ausencia de consumo, con una iluminación fija y a una temperatura
determinada. Su valor depende de la juntura utilizada y varía muy poco con la
intensidad luminosa.
PARAMETROS CELDA 1
RL 118.5 ± 13.20 Ω
Im 9.620 ± 0.681 mA
Vm 1.140 ± 0.008 V
Icc 9.52 ± 0.67 mA
VCA 0.150 ± 0.005V
Tabla4.-Parametros de resistencia de carga, corriente máxima, voltaje máximo,
corriente de cortocircuito y la tensión a circuito abierto. Celda 1.
PARAMETROS CELDA 2
RL 316.230 ± 0.004 Ω
Im 4.68 ± 0.43 mA
Vm 1.48 ± 0.01 V
Icc 2.21 ± 0.31 mA
VCA 0.130 ± 0.005 V
Tabla.-5 Parámetros de resistencia de carga, corriente máxima, voltaje máximo,
corriente de cortocircuito y la tensión a circuito abierto. Celda 2.
La eficiencia de una celda solar η se define como en la ecuación (7).
𝜂 =𝑃𝑚
𝑃𝑖
Donde la iluminación que incide en la celda solar (Pi) está relacionado con la
potencia generada por la iluminación de 75 W dado por el foco, que incide sobre la
celda solar. Por lo que Pi=75 W.
Dado que estamos trabajando con dos celdas solares, construidas de la misma
forma, procedemos hacer una estadística de los resultados anteriormente
encontrados, para poder determinar la eficiencia y el factor de llenado para este
tipo de celdas solares Grätzel.
RP (Ω) 0.2223 ± 0.01
RS (Ω) 0.2077 ± 0.0073
RSH (Ω) 0.0146 ± 0.0049
RL (Ω) 217.365 ± 6.602
Im (A) 7.15 ± 0.55
Vm (V) 1.31 ± 0.009
Icc (mA) 5.865 ± 0.49
VCA (V) 0.14 ± 0.005
Pm 8.94 ± 0.01
Tabla6.- parámetros físicos de una celda solar Grätzel.
Procedemos a calcular la eficiencia de la celda solar de Grätzel.
𝜂 ± 𝜕𝜂 =8.94
1000⁄ 𝑊
75 𝑊= 1.192𝑥10−4 ± 1.3𝑥10−7W
El factor de llenado, da una medida de cuan alta es la potencia máxima Pm con
respecto al tope ideal determinado por el producto entre VCA e Icc dado por:
𝑓𝑓 = 11.40 ± 8.01
Donde la incertidumbre asociada al factor de forma fue calculado por:
𝜕𝑓𝑓 =𝑉𝑀𝜕𝐼𝑀 + 𝐼𝑀𝜕𝑉𝑀
𝑉𝐶𝐴𝜕𝐼𝐶𝐶 + 𝐼𝐶𝐶𝜕𝑉𝐶𝐴
CONCLUSIONES
Las celdas solares electroquímicas funcionan de forma distinta a las celdas de
silicio, sin embargo es posible caracterizarlas de la misma forma pues muestran
un comportamiento similar, defiriendo solo en el cuadrante donde aparece la rama
de la gráfica, el cual es típicamente el cuarto y en este caso aparece en el primero,
esto habla de que los valores de corriente y voltaje negativos son menores en el
caso de las celdas electroquímicas pues estas imitan la fotosíntesis que funciona
para valores positivos.
La eficiencia de las celdas es baja cercana al 0.013%, lo cual nos dice que una
centésima parte de la potencia luminosa recibida es transformada en energía
eléctrica, en el valor donde la resistencia de carga permite la mejor operación de la
celda, sin embargo es importante destacar que estas son pruebas de laboratorio,
donde se simula el sol con una lámpara y la producción de las celdas es
prácticamente artesanal, con lo cual su elaboración y funcionamiento pueden ser
ampliamente mejorados, reportes de últimas fechas señalan que se han
conseguido celdas hasta de un 6% de eficiencia. El factor de llenado es
relativamente alto lo cual nos indica que la celda llegara a sus óptimas condiciones
de operación en poco tiempo, sin embargo se ve reflejado en la baja eficiencia de
la misma. Podemos ver que el voltaje entregado por la celda es cercano al de una
pila AA, sin embargo la corriente es bastante menor, lo cual nos indica que por
ejemplo para encender un LED de 3v son necesarias 3 o más celdas, que pueden
ser construidas con los 6gr de óxido de titanio usado.
La resistencia de carga se encuentra entre los 217 y 316 ohm mientras que los
tintes más oscuros permiten el mejor funcionamiento de la celda, esto hace que su
utilización sea sencilla pues construir un circuito con esa resistencia es
relativamente fácil y barato. Pese a la baja eficiencia estas celdas pueden ser
utilizadas como auxiliares en el alumbrado público o iluminación de exteriores
dado su fácil proceso de producción y bajo costo en los materiales además que
poseen un diseño más estético que las celdas de silicio, lo cual las hace
adecuadas para el urbanismo y decorado de edificios.
Dentro del mundo de las energías alternativas es necesario recalcar que su uso
depende en gran medida de los requerimiento específicos donde se quieren
emplear, por ejemplo, un conjunto de celdas no puede sustituir en su totalidad el
requerimiento energético de un taller, pero pueden ser muy útiles en el alumbrado
de parques y sitios públicos, las celdas de Grätzel, al no requerir tierras raras para
su elaboración, ofrecen una gran flexibilidad de uso y bajo costo que puede ser
mejorado con el impulso e inversión suficientes, por lo cual, pese a ser menos
eficientes que las celdas de silicio, su uso y mejora no debe ser descartados.
Agradecemos al profesor Héctor Cruz-Manjarrez su ayuda para la elaboración de
este proyecto.
Referencias
Manual del Laboratorio (1), (2), (3), (4), (6).
D.W. Kammer and M.A. Ludington. Laboratory experiments with silicon solar cell. AM. J. Phys 45.
Jul 1977 (5), (7).
Manue, Azevedo. "Fazer uma célula fotovoltaica." Physics on Stage.
Oliver, Probst, and Valladares Julio. Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey,
"En la Investigación." http://www.mty.itesm.mx/die/ddre/transferencia/Transferencia47/eli-03.htm.
Héctor, Olmos. Facultad de Química, Universidad de Guanajuato, "Celdas solares a partir de colorantes de vegetales." http://quimica.ugto.mx/revista/12/celda.htm. Roberto, Valer. Laboratorio de Sistemas Fotovoltaicos de la Universidad de São Paulo., "Soluciones Solares." http://solucionessolares.blogspot.mx/2012/06/celda-solar-casera-gratzel-proyecto-de.html.