Mejoramiento de la eficiencia cuantica de celdas solares basadas en P3HT:PCBM mediante la incorporación de cristales coloidales de SiO2

Las técnicas tradicionales de producción de energía basadas en combustibles fósiles (gas, carbón y petróleo) lideran el mercado mundial debido a su adecuada relación costo-beneficio que suple la gran demanda de energía actual [1. Sin embargo, la energía generada por combustibles fósiles ha incrementado el número de emisiones de carbono provocando grandes cambios climáticos que afectan a la población mundial [2. Esta situación ha creado la necesidad de desarrollar técnicas alternativas de producción de energía con bajos impactos ambientales que puedan a futuro suplir la demanda de energía mundial. Actualmente, las técnicas de energía alternativas con mayor potencial de producción se caracterizan por tener una fuente de energía renovable, típicamente clasificadas en: hídrica, solar fotovoltaica, solar térmica, eólica, y biomasa [3. La mayoría de estas energías renovables, aún se encuentran en su etapa de desarrollo científico y tienen como principal reto alcanzar una relación costo-beneficio que les permita competir con las técnicas de producción de energía basadas en combustibles fósiles. En particular, la energía fotovoltaica ha generado gran interés mundial debido al ilimitado potencial energético que proviene de la radiación solar que podría ser eventualmente utilizado. Sin embargo, se considera que la energía fotovoltaica podrá ser una alternativa competitiva a los combustibles fósiles solo cuando se obtengan eficiencias mayores al 60%, lo que constituye un gran reto científico debido a que los actuales dispositivos fotovoltaicos presentan eficiencias inferiores al 30% [4. Dentro los dispositivos con mejores eficiencias, aunque con una baja relación costo-beneficio, se encuentran las celdas solares inorgánicas basadas en silicio. Este tipo de celdas solares, y en general la tecnología de celdas solares basadas en materiales inorgánicos, exhiben grandes desventajas en cuanto a su alto costo de fabricación y a que para su instalación requieren de paneles que cubren áreas extensas. En contraste, las celdas solares orgánicas, específicamente las basadas en heterojunturas de P3TH:PCBM, presentan varias ventajas respecto a su contraparte inorgánica, en particular exhiben: i) procesos de fabricación económicos, ii) alta flexibilidad, y iii) potencial aumento en el área efectiva de los dispositivos. Las principales desventajas son: i) tiempo de vida relativamente corto y ii) eficiencias cuánticas bajas en relación con su contrapartida inorgánica [5. En la actualidad, se han propuesto diferentes mecanismos que tienen como objetivo mejorar la eficiencia cuántica externa de celdas solares orgánicas. Dichas propuestas van desde la inclusión de micro-lentes en el substrato hasta la incorporación de nano partículas metálicas que aprovechan la generación de plasmones en el ánodo [6. Recientemente, se ha planteado la posibilidad de mejorar la eficiencia de las celdas fotovoltaicas orgánicas mediante el uso de cristales coloidales construidos a partir de nanoesferas poliméricas o de SiO2 [7. Una de las propiedades principales de este tipo de sistemas es su capacidad de definir un índice de refracción efectivo en función de, principalmente, el tamaño de las esferas, de modo que se podrían disminuir las pérdidas de radiación provocadas por el alto contraste entre índices de refracción de las diferentes capas que forman el dispositivo. En este proyecto se plantea el diseño y fabricación de una celda solar con eficiencia cuántica mejorada basada en la heterojuntura polimérica de P3TH:PCBM mediante la incorporación de un cristal coloidal formado por esferas de sílice. El diseño implica el cálculo del diámetro de las esferas con el cuál se obtenga el índice de refracción efectivo más adecuado mediante el cálculo de la estructura de bandas fotónica de un cristal coloidal formado por esferas de SiO2 infiltrado con P3TH:PCBM. La fabricación incluye el desarrollo de un protocolo basado en dos mecanismos de autoensamblado: spin-coating y deposición vertical convectiva. La eficiencia cuántica externa será estimada por medio de medidas simultaneas de la respuesta espectral, y las curvas corriente vs. voltaje y corriente vs. absorción de los dispositivos fabricados.