UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERAFacultad de Ingeniera Industrial y de Sistemasrea de Ciencias Bsicas

celdas solares sensibilizadas con colorantes

Integrantes:

Chumpitaz Vera, Junior EduardoRoque Ruiz, Johana LizethSucno Ayma, RoxanaTaipe Vargas, Josselin

Curso: Fsica II

Profesor: Tafur Anzualdo, Gelacio

2013

INDICEINTRODUCCIN3ANTECEDENTES51.OBJETIVO72.FUNDAMENTO TERICO72.1 ENERGA RENOVABLE72.2 ENERGA SOLAR72.3 CELDAS SOLARES72.4 PANELES SOLARES82.5 COLORANTES83. CELDAS SOLARES SENSIBILIZADAS POR COLORANTES103.1 CONCEPTO103.2.VENTAJAS DE LAS CELDAS SOLARES113.3.ELEMENTOS DE LA CELDA SOLAR123.4.CONSTRUCCIN DE LA CELDA SOLAR124. EXPLICACIN DEL FUNCIONAMIENTO DEL CELDA SOLAR135. APLICACIONES146. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES177. BIBLIOGRAFA18

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERAFACULTAD DE INGENIERA INDUSTRIAL Y DE SISTEMAS

PROTOTIPO DE CELDAS SOLARES SENSIBILIZADAS CON COLORANTES

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INTRODUCCIN

Como ya es conocido, el empleo de las fuentes renovables de energa, as como su empleo racional, cobra cada vez ms importancia en la actualidad debido al agotamiento de las reservas de combustibles fsiles y a los daos medioambientales que produce el ritmo actual de su consumo. Denominamos Energas renovables a las fuentes de energa que se obtienen de medios naturales en teora inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energa que contienen o porque son capaces de regenerarse por medios naturales.

Entre las energas renovables se cuentan la Biomasa, Biogs, Hidroelctrica, Elica, Solar, Geotrmica y maremotriz.La energa solar es la energa obtenida mediante la captacin de la luz y el calor emitidos por el Sol. Son Instalaciones que transforman la radiacin solar en energa elctrica, mediante paneles fotovoltaicos, para su consumo aislado de la red de distribucin, pudiendo contar el sistema con acumulacin en bateras. Desde que surgi se le catalog como la solucin perfecta para las necesidades energticas de todos los pases debido a su universalidad y acceso gratuito ya que, como se ha mencionado proviene del sol. Para los usuarios el gasto est en el proceso de instalacin del equipo solar (placa, termostato, entre otras). Este gasto, con el paso del tiempo, es cada vez menor por lo que no nos resulta raro ver en la mayora de las casas las placas instaladas. Podemos decir que no contamina nuestro medio ambiente; adems, es de captacin directa y las maquinarias son de fcil mantenimiento.

La radiacin solar que alcanza la Tierra puede aprovecharse por medio del calor que produce a travs de la absorcin de la radiacin ya sea en dispositivos pticos o de otro tipo. Es una de las llamadas energas renovables, particularmente del grupo no contaminante, conocido como energa limpia o energa verde, si bien, al final de su vida til, los panelesfotovoltaicos pueden suponer un residuo contaminante difcilmente reciclable al da de hoy.La conversin directa de la radiacin solar sobresale por ser esta fuente la ms ampliamente distribuida en el planeta, adems de estar considerada prcticamente inagotable. La energa fotovoltaica, o sea, la transformacin directa en energa elctrica mediante el uso de las celdas solares, reviste gran importancia futura y resulta muy atractiva. Por todo lo anterior, las celdas solares, elemento clave en los sistemas fotovoltaicos, son intensamente investigadas.

Las llamadas celdas solares sensibilizadas (DSSC) o celdas constituyen una variante mucho menos costosa, en comparacin con las tradicionales de silicio o de estado slido en general, para la conversin fotovoltaica. Estas celdas estn constituidas por un electrodo de un xido semiconductor poroso, en general TiO2nanocristalino, recubierto con una monocapa de un compuesto orgnico que acta como sensibilizador, ya que el TiO2(entre otros xidos) es transparente a la luz visible. Esta monocapa, a diferencia del TiO2, es capaz de absorber un rango amplio del espectro solar. En estas celdas se usa un electrolito que contiene el par redox I-/I3-en un solvente orgnico, el que penetra en toda la superficie interior del electrodo y contacta al fotoelectrodo. Adems, han logrado una eficiencia de conversin mayor de 10 %,a un costo muy inferior al de otros dispositivos fotovoltaicos de similar eficiencia.

ANTECEDENTESLa energa solar ha sido utilizada desde hace muchos aos con diferentes objetivos como: en la agricultura, hornos solares opara generar vapor para maquinaria, calefaccin, entre muchos otros ejemplos. Pero el cientfico francsAlexandre EdmonBecquerel, experimentando con una pila electrolticasumergida en una sustancia de las mismas propiedades, observ que despus de exponer a la luz generaba ms electricidad, as fue quedescubri el"efecto fotovoltaico"en 1839que consiste en la conversin de la luz del sol en energa elctrica.En 1885 el profesorW. Grylls Adams experiment como el selenio (elemento semiconductor) reaccionaba con la luz y descubri que se generaba un flujo de electricidad conocida como fotoelctrica Albert Einsteininvestigo ms a fondo sobre el efecto fotoelctrico y descubri que al iluminar con luz violeta (que es de alta frecuencia) los fotones pueden arrancar los electrones de un metal y producir corriente elctrica. Esta investigacin le permiti ganar el Premio Nobel de Fsica en 1921.El efecto fotovoltaico fue reconocido por primera vez en 1839 por el fsico francs Alexadre-Edmond Becquerel. Sus estudios sobre el espectro solar, magnetismo, electricidad y ptica son el pilar cientfico de la energa fotovoltaica.En 1883 el inventor norteamericano Charles Fritts construye la primera celda solar con una eficiencia del 1%. La primera celda solar fue construida utilizando como semiconductor el Selenio con una muy delgada capa de oro. Debido al alto costo de esta celda se utiliz para usos diferentes a la generacin de electricidad. Las aplicaciones de la celda de selenio fueron para sensores de luz en la exposicin de cmaras fotogrficas.La celda de Silicio que hoy da utilizan proviene de la patente del inventor norteamericano Russell Ohl. Fue construida en 1940 y patentada en 1946.

La poca moderna de la celda de Silicio llega en 1954 en los Laboratios Bells. Accidentalmente experimentando con semiconductores se encontr que el Silicio con algunas impurezas era muy sensitivo a la luz.

1. OBJETIVOConvertir la energa solar en energa elctrica mediante celdas para la electrificacin de zonas rurales.2. FUNDAMENTO TERICO2.1 ENERGA RENOVABLESe denominaenerga renovablea la energa que se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energa que contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales. Entre las energas renovables se cuentan la energa elica, energageotrmica,energa hidroelctrica, energamareomotriz, energa solar, energa electromotriz, labiomasay losbiocombustibles.2.2 ENERGA SOLARSe trata de recoger la energa del sol a travs de paneles solares y convertirla en calor el cual puede destinarse a satisfacer numerosas necesidades. Por ejemplo, se puede obtener agua caliente para consumo domstico o industrial, o bien para dar calefaccin a hogares, hoteles, colegios o fbricas. Tambin, se podr conseguir refrigeracin durante las pocas clidas. En agricultura se pueden conseguir otro tipo de aplicaciones como invernaderos solares que favorecieran las mejoras de las cosechas en calidad y cantidad, los secaderos agrcolas que consumen mucha menos energa si se combinan con un sistema solar, y plantas de purificacin o desalinizacin de aguas sin consumir ningn tipo de combustible. Con este tipo de energa se podra reducir ms del 25% del consumo de energa convencional en viviendas de nueva construccin con la consiguiente reduccin de quema de combustibles fsiles y deterioro ambiental. La obtencin de agua caliente supone en torno al 28% del consumo de energa en las viviendas y que stas, a su vez, demandan algo ms del 12% de la energa en Espaa.2.3 CELDAS SOLARESLas clulas o celdas solares son dispositivos que convierten energa solar en electricidad, ya sea directamente va el efecto fotovoltaico, o indirectamente mediante la previa conversin de energa solar a calor o a energa qumica.La forma ms comn de las celdas solares se basa en el efecto fotovoltaico, en el cual la luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia del fotovoltaje o del potencial entre las capas. Este voltaje es capaz de conducir una corriente a travs de un circuito externo de modo de producir trabajo til.Existen las celdas solares convencionales tales como las basadas en silicio, las cuales se encuentran entre las ms difundidas en la actualidad. Asimismo, existen celdas solares basadas en elementos compuestos, como el telurio de cadmio o telurio de azufre, entre otros tipos de celdas solares (usados fundamentalmente a escala de laboratorio).2.4 PANELES SOLARESEn general, laenerga solarse puede describir como la energa que se recibe de la luz del sol y se convierte en energa elctrica para el uso humano. Es ms barata y fiable ya que el sol es fcilmente disponible, por otra parte, los paneles solares son elementos construidos cuya finalidad principal es la de convertir la energa solar enenerga elctrica. Se construyen a partir de un elemento llamado silicio, el cual interviene en el proceso de creacin de energa elctrica a partir de la luz delsol. La energa solar puede incidir de forma directa o indirecta. En los das nublados a contrario de lo que se cree se puede producir energa perfectamente.Las clulas fotovoltaicas se fabrican consemiconductores. Los semiconductores son elementos que tienen una conductividad elctrica muy pequea, pero superior a la de un aislante. Los ms utilizados son los de silicio, este es un material muy abundante, de ah su bajo costo. Cuando los rayos del sol inciden sobre las clulas, la unin P N de los semiconductores de ella junto con su metal conductor ayuda a producirenerga. En esta coyuntura, la unin PN son cargas positivas y negativas que ayudan a producir corriente elctrica, debido a una diferencia de potencial que se crea cuando se ilumina la clula.Cuando se cortocircuita la clula (es decir, se unen las regiones P y N mediante un conductor con resistencia nula) los electrones de la regin N se desplazan a travs del conductor y se unen con los huecos de la regin P produciendo electricidad gracias al flujo de electrones, esta corriente se mantendr mientras la clula est iluminada.2.5 COLORANTESUncolorantees una sustancia que es capaz de teir las fibras vegetales y animales. Los colorantes se han usado desde los tiempos ms remotos, emplendose para ello diversas materias procedentes de vegetales (crcuma,ndigo natural, etc.) y de animales (cochinilla,moluscos, etc.) as como distintos minerales.Enqumica, se llamacolorantea la sustancia capaz de absorber determinadas longitudes de onda de espectro visible. Los colorantes son sustancias que se fijan en otras sustancias y las dotan de color de manera estable ante factores fsicos/qumicos como por ejemplo: luz, lavados, agentes oxidantes, etc.Denominaciones de los colorantes: Denominacin genrica Denominacin qumica Cdigo del "Colour Index 1924 (1 edicin) Cdigo del "Colour Index 1956 (2 edicin) Cdigo del SchultzClasificacin qumica: Nitroso y nitrocolorantes Colorantes azoicos o azocolorantes Colorantes del trifenilmetano Colorantes de la antraquinina Colorantes indigoidesColorantes Industriales usados como aditivos catalogados por la industria (E100>E200) E100- Curcuminas. E100i-Curcumina. E100ii-Crcuma. E101-Riboflavinay Riboflavina-5'-fosfato. E101a-Riboflavinay Riboflavina-5'-fosfato. E102-Tartracina. E103-Crisona* E104- ]sol]. E105-Amarillo slido* E106-Fosfato de Lactoflavina E107- Amarillo2G E110- Amarillo anaranjado S. E111- Naranja G.G.N.* E120- Cochinilla o cido carmnico. E121-Rojo ctrico 2 E122- Azorrubina. E123- Amaranto. E124- Rojo cochinilla A, Rojo Ponceau 4R. E126- Ponceau 6R* E127-Eritrosina. E128-Rojo 2G E129-Rojo Allura 2C. E130-Azul de antraquinona. E131-Azul patentado V. E132-Indigotina, carmn ndigo. E133-Azul brillante FCF. E140- Clorofilas y Clorofilinas. E141- Complejos cpricos de clorofilas y clorofilinas. E142- Verde cido brillante BS, verde lisamina. E150- Caramelo. E151-Negro brillante BN. E152-Negro 7984* E154-Marrn FK. Colorante amarronado. E155-Marrn HT. E153-Carbn vegetal. E160-Carotenoides. E160b-Bixina. E160c-Capsantina. E160d-Licopeno. E161-Xantofilas. E162-Betaninao rojo de remolacha. E163-Antocianinas. E170-Carbonato de calcio. E171-Dixido de titanio. E172- xidos e hidrxidos de hierro. E173- Aluminio. E174- Plata. E175- Oro. E180-Pigmento Rubo Litol-rubina BK.

Otros colorantes catalogados por la industria, respecto alcatlogo E(E579>E585) E579- Gluconato ferroso E585- Lactato ferrosoCompuestos colorantes:Pueden definirse como una paleta de colores, el color, por ejemplo el anaranjado dorado estara compuesto por varias mezclas axproporciones que dan sa tonalidad.3. CELDAS SOLARES SENSIBILIZADAS POR COLORANTES 3.1 CONCEPTO

Inventadas en 1991 en Suiza , las celdas solares sensibilizadas con colorante (CSSC) provn una econmica y tcnicamente alternativa a los actuales sistemas fotovoltaicos convencionales de alto costo de produccin y comercializacin , pues usan relativamente baratos materiales para su elaboracin como vidrio, nanocristales semiconductores, y otros como colorantes y electrolitos que son medianamente caros, pero con tendencia a disminuir en precio cuando estas celdas se produzcan en masa como ya se empieza a ver, sus niveles de eficiencia bordean actualmente el 10% mientras continua en investigacin.Las celdas solares nanocristalinas sensibilizadas con colorante (DSSC, dye-sensitized solar cell) son un nuevo tipo de celda fotovoltaica, donde el material que absorbe la radiacin electromagntica, dixido de titanio, en un colorante orgnico, se encuentra absorbido a otro material, por el cual se propagarn los electrones generados.En este tipo de dispositivos tiene lugar un fenmeno semejante al de la fotosntesis, puesto que en ambos procesos intervienen colorantes orgnicos y, tanto en uno como en otro, como ya se expres con anterioridad, la absorcin de fotones y el transporte elctrico tiene lugar en materiales diferentes y ocurren por separado. En las celdas solares DSSC el donante de electrones seran el electrolito triyoduro, el aceptor de electrones nanopartculas de TiO2 y el absorvedor de fotones el colorante natural; mientras que en la fotosntesis, el agua, las molculas de dixido de carbono y la clorofila. El desarrollo de celdas solares orgnicas, basadas en el mecanismo de sensibilizacin espectral de una red nanoestructurada de xido semiconductor, es un rea de investigacin que ha mostrado una gran actividad en los ltimos tiempos. El inters cientfico y tecnolgico en ste tipo de sistemas se debe a la posibilidad de obtener dispositivos fotovoltaicos que compitan en costo y eficiencia, como alternativa a las celdas inorgnicas tradicionales. El principio de funcionamiento de estas celdas se basa en la inyeccin de cargas desde el estado excitado de un colorante hacia la banda de conduccin de un xido semiconductor, y la subsiguiente regeneracin del colorante por un reductor de sacrificio. Al presente se ha obtenido una eficiencia de conversin de energa comparable al de las celdas de silicio convencionales. Sin embargo, la misma puede ser mejorada mediante la sntesis de nuevas estructuras moleculares o por medio del diseo de celdas solares que utilicen electrolitos de baja presin

3.2. VENTAJAS DE LAS CELDAS SOLARES

Haciendo una comparacin con las celdas de silicio, convencional se puede encontrar las siguientes ventajas:

1.-La celda DSSC tiene diversas formas que pueden ser utilizadas en mltiples aplicaciones (figura n1)2.-Se construyen a bajas temperaturas a comparacin con las celdas de silicio.3.-Son fcil de reciclar.4.-Son ligera.5.-Tienen costos de manufactura bajos en comparacin con las celdas de silicio.Figura n1

3.3. ELEMENTOS DE LA CELDA SOLAR

Vidrio conductor (sn2 , F) Electrodo (ZnO, Ti 2 O 7 , CuO) Colorante N719, D7, D5 Electrolito: I/I3 Contra electrodo(Pt) Pintura de plata

3.4. CONSTRUCCIN DE LA CELDA SOLAR

Para la realizacin del experimento se hizo lo siguiente:

1. En el sustrato de vidrio conductor, el cual se utilizara como electrodo, se la aade una pelcula de dixido de titanio, para nuestro experimento el rea de la pelcula fue de 0.5x0.5 milmetro, que es nuestro semiconductor.(Figura n1)

Figura n1

2. Este sustrato de vidrio se coloca y se deja sumergido en el colorante aproximadamente 14 horas para que el colorante se adhiera a la superficie del dixido de titanio.(Figura n2)

Figura n2

3. En otro sustrato de vidrio conductor se deposit el metal platino; el cual se utilizara como contra electrodo.(Figura n3)

Figura n3

4. Se puso en contacto el electrodo y el contra electrodo y se le aadi el electrolito lquido.

5. En los extremos de los sustratos electrodo y contra electrodo se coloca pintura de plata para cerrar el circuito.(figura n4)

Figura n4

4. EXPLICACIN DEL FUNCIONAMIENTO DEL CELDA SOLAR

1. El colorante pasa de un estado basal o fundamental a un estado excitado mediante la absorcin de un fotn.2. Al desexcitarse, este colorante cede un electrn al semiconductor el cual pasa a travs de una banda prohibida (band gap) para estar en la banda de conduccin y emigrar a travs del electrodo (nodo) hacia la parte externa.3. Por otro lado, la especie oxidada del colorante reacciona con el yoduro, quien reduce al colorante y oxidar este yoduro a la especie I3- Esta especie, a su vez, se reduce por los electrones que provienen del ctodo.

5. APLICACIONES

Las aplicaciones de celdas solares son aplicaciones que se le dan a un tipo de generador de energa nuevo (que en realidad no es nuevo pero s lo es si hablamos desde el momento en el cual se comenz a implementarlo). Este tipo de generador y acumulador de energa, que son las celdas solares, tienen un montn de aplicaciones que les podemos dar que estn a la orden del da a da. Cuando hablamos de celdas solares bsicamente, para aquellos que no estn informados sobre lo que esto es, estamos hablando de un tipo de estructura que estn realizadas en base a metales que tienen la cualidad de poder absorber la luz solar.Las celdas solares forman parte de una nueva estructura a la que denominamos una estructura ecolgica. Esta estructura de la cual estamos hablando se esta empezando a implementar en la arquitectura de las casa y de algunos edificios que tienen como fin primero el de ser ecolgicos y ambientalmente amigables ya que implican una no contaminacin, ya que gracias a que tienen y cuentan con las aplicaciones de celdas solares son consideradas un nuevo estilo de infraestructuras.Las aplicaciones de celdas solares como mencionamos anteriormente son muchsimasy es por ello que aqu vamos a enumerar solamente algunas de ellas, por que sus utilidades son in finitas.Principalmente podemos hablar de las aplicaciones de celdas solares en tareas domsticas, aqu podemos hablar de que, la energa que absorben las celdas solares sirven tambin para realizar tareas como lavar, planchar, encender equipos tecnolgicos etctera. es decir que la energa que nos proveen las celdas solares es sumamente til para ser utilizada en el ceno de un hogar que tenga todo lo necesario para serlo (cuando mencionamos que tenga todo lo necesario, no estamos refiriendo a cocina por ejemplo, televisin, computador, plancha, equipo de msica etctera),esas son las aplicaciones de celdas solares que les podemos dar en el mbito hogareo.Por otro lado tambin podemos hablar de aplicaciones de celdas solares que se encuentren fuera de este mbito, y que se encuentren en un mbito ms laborioso, como por ejemplo en las fbricas.En las fbricas las aplicaciones de celdas solares son muchsimas ms, y podemos decir que dependen algunas de ellas exclusivamente de las celdas solares.En las fbricas las celdas solares sirven como nico generador de energa en algunos casos, y es por ello que tomamos este efecto como un ejemplo, que tiene que ser copiado por muchas fbricas que todava no tengan ni cuenten con las aplicaciones de las celdas solares como nicas generadores de energa. Cuando mencionamos la frase que son nicas generadoras de energa, nos estamos refiriendo a que ellas son las que proveen de energa elctrica a toda la maquinaria con la cual funcionan estas industrias.Entre las aplicaciones de celdas solares, tambin encontramos, el hecho de ser generadoras de energa en ciudades enteras, cmo por ejemplo las ciudades que han tenido la delicadeza de dedicarse al cuidado del ambiente bajo todas las normas de la palabra,ya que adems de utilizar las aplicaciones de celdas solares, utilizan otros medios que no tienen que ver con el aprovechamiento de la luz solar,si no que por ejemplo usan a la biomasa como generadora de gas, y otros. Las aplicaciones de celdas solares como estamos viendo son muchsimas ya que tienen la capacidad de generar energa tanto en un hogar, como en toda una ciudad una fabrica, es as como podemos concluir con que las celdas solares son un tipo de elemento que valen la pena ser utilizados y que cada vez ms sean adquiridas, por cada ciudadano de este planeta.Las celdas solares tienen una utilidad que puede ser fundamental a la hora de preguntarnos qu podemos hacer para que este mundo en el cual estamos conviviendo muchsimos seres vivos, pueda ser mejor y pueda ser mucho menos perjudicial para nosotros mismos. Y es all cuando podemos empezar a actuar, ya sea tomando concientizacin sobre los nuevos inventos ecolgicos como las celdas solares o bien haciendo cosas bsicas,como no tirar basura en la va pblica y no contaminando de la manera en la que todos sabemos que usualmente se contaminan, ros, lagos, calles,el mismo aire, etctera. Las celdas solares son uno de los mejores inventos que podemos mencionar que ha producido el hombre.

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Las celdas imitan a la fotosntesis natural de las plantas verdes en cuanto a su proceso de absorcin de la luz y transferencia de electrones en donde ambos procesos se realizan por separados. La eficiencia de la celda fabricada es muy baja con referencia a la terica ,cabe sealar que aun no existen estudios lo suficientemente profundos y sustentados acerca de lo mencionado .No obstante, el inters se ha incrementado con los aos, se puede decir que en un futuro no muy lejano se llegue a una mejor eficiencia.

7. BIBLIOGRAFA

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