Nanotubos de carbono en energía fotovoltaica – HiSoUR Arte Cultura Historia

Los dispositivos fotovoltaicos orgánicos (OPV) se fabrican a partir de películas delgadas de semiconductores orgánicos, como polímeros y compuestos de moléculas pequeñas, y son típicamente del orden de 100 nm de espesor. Debido a que los OPV basados en polímeros se pueden fabricar utilizando un proceso de recubrimiento como el recubrimiento por centrifugado o la impresión por chorro de tinta, son una opción atractiva para cubrir superficies extensas y superficies plásticas flexibles de forma económica. Una prometedora alternativa de bajo costo a las células solares convencionales hechas de silicio cristalino, hay una gran cantidad de investigación dedicada a la industria y la academia para desarrollar OPV y aumentar su eficiencia de conversión de energía.

Nanotubos de carbono de pared simple como medios de cosecha ligera
Los nanotubos de carbono de pared única poseen una amplia gama de bandgaps directos que combinan el espectro solar, una fuerte fotoabsorción, desde el infrarrojo hasta el ultravioleta, y una alta movilidad del portador y una menor dispersión del transporte del portador, que se convierten en el material fotovoltaico ideal. El efecto fotovoltaico se puede lograr en diodos ideales de nanotubos de carbono de pared simple (SWNT). SWNT individuales pueden formar diodos de unión pn ideales. Un comportamiento ideal es el límite teórico de rendimiento para cualquier diodo, un objetivo muy buscado en el desarrollo de todos los materiales electrónicos. Bajo iluminación, los diodos SWNT muestran importantes eficiencias de conversión de potencia debido a las propiedades mejoradas de un diodo ideal.

Recientemente, los SWNT se configuraron directamente como materiales de conversión de energía para fabricar células solares de película delgada, con nanotubos que sirven tanto como sitios de fotogeneración como una capa de recogida / transporte de portadores de carga. Las células solares consisten en una película delgada semitransparente de nanotubos recubiertos de forma concéntrica en un sustrato de silicio cristalino tipo n para crear heterouniones pn de alta densidad entre nanotubos y n-Si para favorecer la separación de cargas y extraer electrones (a través de n-Si) y agujeros ( a través de nanotubos). Las pruebas iniciales han demostrado una eficiencia de conversión de energía de & gt; 1%, lo que demuestra que CNTs-on-Si es una configuración potencialmente adecuada para fabricar células solares. Por primera vez, Zhongrui Li demostró que el tratamiento con SOCl2 de SWNT aumenta la eficiencia de conversión de energía de las células solares de heterounión SWNT / n-Si en más del 60%. Más tarde, el enfoque de dopaje ácido es ampliamente adoptado en las últimas publicaciones de CNT / Si. Incluso se puede lograr una mayor eficiencia si el líquido ácido se mantiene dentro del espacio vacío de la red de nanotubos. La infiltración ácida de las redes de nanotubos aumenta significativamente la eficiencia celular al 13.8%, según lo informado por Yi Jia, al reducir la resistencia interna que mejora el factor de llenado y al formar unidades fotoelectroquímicas que mejoran la separación y el transporte de la carga. Los problemas inducidos por el ácido húmedo pueden evitarse utilizando una película de CNT alineada. En la película CNT alineada, la distancia de transporte se acorta, y la tasa de extinción del excitón también se reduce. Además, la película de nanotubos alineada tiene un espacio vacío mucho más pequeño y un mejor contacto con el sustrato. Entonces, además de un fuerte dopado ácido, el uso de una película de nanotubos de carbono alineados de una sola pared puede mejorar aún más la eficiencia de conversión de energía (Yeonwoong Jung logró una eficiencia de conversión de potencia récord de & gt; 11%).

Zhongrui Li también fabricó el primer dispositivo fotovoltaico n-SWNT / p-Si ajustando los SWNT del tipo p al tipo n a través de la funcionalización de polietilenimina.

Compuestos de nanotubos de carbono en la capa fotoactiva
La combinación de las características físicas y químicas de los polímeros conjugados con la alta conductividad a lo largo del eje del tubo de nanotubos de carbono (CNT) proporciona un gran incentivo para dispersar los CNT en la capa fotoactiva con el fin de obtener dispositivos OPV más eficientes. La heterounión interpenetrante donante-receptor a granel en estos dispositivos puede lograr la separación y recogida de carga debido a la existencia de una red bicontinua. A lo largo de esta red, los electrones y los agujeros pueden viajar hacia sus respectivos contactos a través del aceptador de electrones y el donador de orificios de polímero. Se propone que la mejora de la eficiencia fotovoltaica se debe a la introducción de uniones internas de polímero / nanotubo dentro de la matriz del polímero. El alto campo eléctrico en estas uniones puede dividir los excitones, mientras que el nanotubo de carbono de paredes simples (SWCNT) puede actuar como un camino para los electrones.

La dispersión de los CNT en una solución de un polímero conjugado donador de electrones es quizás la estrategia más común para implementar materiales CNT en OPV. Generalmente, se usan poli (3-hexiltiofeno) (P3HT) o poli (3-octiltiofeno) (P3OT) para este fin. Estas mezclas se revientan luego sobre un electrodo conductor transparente con espesores que varían de 60 a 120 nm. Estos electrodos conductores suelen estar recubiertos de vidrio con óxido de indio y estaño (ITO) y una subcapa de 40 nm de poli (3,4-etilendioxitiofeno) (PEDOT) y poli (estirenosulfonato) (PSS). PEDOT y PSS ayudan a alisar la superficie de ITO, disminuyendo la densidad de los poros y sofocando las fugas de corriente que se producen a lo largo de las rutas de derivación. A través de la evaporación térmica o el recubrimiento por pulverización catódica, se aplica una capa de aluminio de 20 a 70 nm de espesor y, a veces, una capa intermedia de fluoruro de litio sobre el material fotoactivo. Se han completado múltiples investigaciones con nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNT) y nanotubos de carbono de paredes simples (SWCNT) integrados en el material fotoactivo.

Mejoras de más de dos órdenes de magnitud se han observado en la fotocorriente desde la adición de SWCNT a la matriz P3OT. Se especuló que las mejoras se debían a la separación de carga en las conexiones polímero-SWCNT y a un transporte de electrones más eficiente a través de los SWCNT. Sin embargo, se observó una eficiencia de conversión de potencia bastante baja de 0,04% en iluminación blanca de 100 mW / cm2 para el dispositivo que sugiere una disociación de excitón incompleta a bajas concentraciones de CNT de 1,0% en peso. Debido a que las longitudes de los SWCNT eran similares al espesor de las películas fotovoltaicas, se creía que el dopaje de un mayor porcentaje de SWCNT en la matriz de polímero causaba cortocircuitos. Para suministrar sitios de disociación adicionales, otros investigadores han mezclado físicamente MWCNT funcionalizados en polímero P3HT para crear un P3HT-MWCNT con dispositivo de doble capa de fullereno C60. Sin embargo, la eficiencia de potencia todavía era relativamente baja al 0.01% bajo una iluminación blanca de 100 mW / cm2. La débil difusión del excitón hacia la interfaz donante-receptor en la estructura bicapa puede haber sido la causa además de la capa de fullereno C60 que posiblemente experimente un transporte de electrones pobre.

Más recientemente, se ha fabricado un dispositivo fotovoltaico de polímero de SWCNTs y P3HT modificados con C60. El primer paso en la fabricación de estos compuestos de polímero-SWCNT fue la irradiación en microondas de una mezcla de solución acuosa de SWCNT y solución C60 en tolueno. Luego se añadió polímero conjugado P3HT, dando como resultado una eficiencia de conversión de potencia de 0,57% bajo irradiación solar simulada (95 mW / cm2). Se concluyó que la densidad de corriente de cortocircuito mejorada era un resultado directo de la adición de SWCNT en el compuesto que causaba un transporte de electrones más rápido a través de la red de SWCNT. También se concluyó que el cambio en la morfología condujo a un factor de llenado mejorado. En general, el resultado principal fue una mayor eficiencia de conversión de energía con la adición de SWCNT, en comparación con las células sin SWCNT; sin embargo, se pensó que era posible una mayor optimización.

Adicionalmente, se ha encontrado que calentar hasta el punto más allá de la temperatura de transición vítrea de P3HT o P3OT después de la construcción puede ser beneficioso para manipular la separación de fases de la mezcla. Este calentamiento también afecta el orden de las cadenas poliméricas porque los polímeros son sistemas microcristalinos y mejora la transferencia de carga, el transporte de carga y la recolección de carga en todo el dispositivo de OPV. La movilidad del orificio y la eficiencia energética del dispositivo de polímero-CNT también aumentaron significativamente como resultado de este pedido.

Emergiendo como otro enfoque valioso para la deposición, el uso del bromuro de tetraoctilamonio en tetrahidrofurano también ha sido objeto de investigación para ayudar a la suspensión al exponer SWCNT a un campo electroforético. De hecho, se lograron eficiencias de fotoconversión de 1.5% y 1.3% cuando se depositaron SWCNT en combinación con puntos cuánticos de luz de sulfuro de cadmio (CdS) y porfirinas, respectivamente.

Entre las mejores conversiones de potencia logradas hasta la fecha utilizando CNT se obtuvieron depositando una capa SWCNT entre el ITO y el PEDOT: PSS o entre el PEDOT: PSS y la mezcla fotoactiva en un ITO / PEDOT modificado: PSS / P3HT: (6,6 ) -fenil-C61-éster metílico del ácido butírico (PCBM) / célula solar Al. Mediante recubrimiento por inmersión de una suspensión hidrófila, se depositaron SWCNT después de exponer inicialmente la superficie a un plasma de argón para lograr una eficacia de conversión de potencia del 4,9%, en comparación con el 4% sin CNT.

Sin embargo, a pesar de que los CNT han mostrado potencial en la capa fotoactiva, no han dado como resultado una celda solar con una eficiencia de conversión de energía mayor que la de las mejores células orgánicas en tándem (eficiencia del 6,5%). Sin embargo, en la mayoría de las investigaciones previas se ha demostrado que el control sobre una mezcla uniforme del polímero conjugado donante de electrones y la aceptación de electrones de la CNT es uno de los aspectos más difíciles y cruciales en la creación de una colección de fotocorriente eficiente en CNT Dispositivos OPV. Por lo tanto, el uso de CNT en la capa fotoactiva de los dispositivos de OPV todavía está en las etapas iniciales de investigación y todavía hay espacio para nuevos métodos para aprovechar mejor las propiedades beneficiosas de los CNT.

Un problema con la utilización de SWCNT para la capa fotoactiva de dispositivos fotovoltaicos es la pureza mixta cuando se sintetiza (aproximadamente 1/3 metálica y 2/3 semiconductora). Los SWCNT metálicos (m-SWCNT) pueden causar la recombinación de excitones entre los pares de electrones y de orificios, y la unión entre SWCNTs metálicos y semiconductores (s-SWCNT) forman barreras Schottky que reducen la probabilidad de transmisión de agujeros. La discrepancia en la estructura electrónica de los CNT sintetizados requiere una clasificación electrónica para separar y eliminar los m-SWCNT para optimizar el rendimiento semiconductor. Esto se puede lograr a través del diámetro y la clasificación electrónica de CNT a través de un proceso de ultracentrifugación en gradiente de densidad (DGU), que implica un gradiente de surfactantes que pueden separar los CNT por diámetro, quiralidad y tipo electrónico. Este método de clasificación permite la separación de m-SWCNTs y la colección precisa de quiralidades múltiples de s-SWCNTs, cada quiralidad capaz de absorber una longitud de onda de luz única. Las quiralidades múltiples de s-SWCNT se utilizan como material de transporte de orificios junto con el componente de fullereno PC71BM para fabricar heterouniones para la capa activa de PV. Los s-SWCNTs policirales permiten una absorción óptica de amplio rango de luz visible a casi infrarroja (NIR), aumentando la corriente de la foto en relación con el uso de nanotubos de quiralidad simple. Para maximizar la absorción de la luz, la estructura del dispositivo invertido se utilizó con una capa de nanocables de óxido de zinc que penetra la capa activa para minimizar la longitud de la recolección. El óxido de molibdeno (MoOx) se utilizó como una capa de transporte de agujeros de función de trabajo alta para maximizar el voltaje.

Las celdas fabricadas con esta arquitectura han logrado eficiencias de conversión de energía récord de 3.1%, más altas que cualquier otro material de celda solar que utilice CNT en la capa activa. Este diseño también tiene una estabilidad excepcional, con el PCE restante en torno al 90% en un período de 30 días. La excepcional estabilidad química de los nanomateriales de carbono permite una excelente estabilidad ambiental en comparación con la mayoría de los fotovoltaicos orgánicos que deben ser encapsulados para reducir la degradación.

En relación con la mejor de las células solares de heterounión de polímero fullereno que tienen PCE de aproximadamente 10%, las células solares de fulonina y nanotubo poliquiral aún están muy lejos. Sin embargo, estos hallazgos empujan los límites alcanzables de la tecnología CNT en las células solares. La capacidad de absorción de los nanotubos poliquirales en el régimen NIR es una tecnología que puede utilizarse para mejorar las eficiencias futuras de las células solares en tándem multiunión junto con aumentar la vida útil y la durabilidad de las futuras células solares no cristalinas.

Nanotubos de carbono como un electrodo transparente
ITO es actualmente el material más popular utilizado para los electrodos transparentes en dispositivos OPV; sin embargo, tiene una serie de deficiencias. Por un lado, no es muy compatible con sustratos poliméricos debido a su alta temperatura de deposición de alrededor de 600 ° C. El ITO tradicional también tiene propiedades mecánicas desfavorables, como ser relativamente frágil. Además, la combinación de una costosa deposición de capas al vacío y un suministro limitado de indio da como resultado electrodos transparentes ITO de alta calidad que son muy caros. Por lo tanto, desarrollar y comercializar un reemplazo para ITO es un foco principal de investigación y desarrollo de OPV.

Los revestimientos conductivos de CNT se han convertido recientemente en un sustituto potencial basado en una amplia gama de métodos que incluyen pulverización, recubrimiento por centrifugación, fundición, capa por capa y deposición Langmuir-Blodgett. La transferencia de una membrana de filtro al soporte transparente usando un disolvente o en forma de una película adhesiva es otro método para obtener películas de CNT flexibles y ópticamente transparentes. Otros esfuerzos de investigación han demostrado que las películas hechas de CNT con descarga de arco pueden dar como resultado una alta conductividad y transparencia. Además, la función de trabajo de las redes SWCNT está en el rango de 4,8 a 4,9 eV (en comparación con ITO que tiene una función de trabajo menor de 4,7 eV) lo que hace esperar que la función de trabajo SWCNT sea lo suficientemente alta como para asegurar una recolección eficiente de agujeros. Otro beneficio es que las películas SWCNT exhiben una alta transparencia óptica en un amplio rango espectral desde el rango UV-visible al infrarrojo cercano. Solo unos pocos materiales conservan una transparencia razonable en el espectro infrarrojo mientras que mantienen la transparencia en la parte visible del espectro, así como una conductividad eléctrica general aceptable. Las películas SWCNT son muy flexibles, no se deslizan, no se agrietan después de la flexión, teóricamente tienen altas conductividades térmicas para tolerar la disipación de calor y tienen una alta resistencia a la radiación. Sin embargo, la resistencia eléctrica de la lámina de ITO es un orden de magnitud menor que la resistencia de la lámina medida para películas SWCNT. No obstante, los estudios de investigación iniciales demuestran que las películas delgadas SWCNT pueden usarse como electrodos conductores y transparentes para la recolección de agujeros en dispositivos OPV con eficiencias entre 1% y 2.5% confirmando que son comparables a los dispositivos fabricados con ITO. Por lo tanto, existen posibilidades para avanzar en esta investigación para desarrollar electrodos transparentes basados en CNT que excedan el rendimiento de los materiales ITO tradicionales.

CNT en células solares sensibilizadas por colorante
Debido al simple proceso de fabricación, bajo costo de producción y alta eficiencia, existe un interés significativo en las células solares sensibilizadas por colorante (DSSC). Por lo tanto, la mejora de la eficiencia DSSC ha sido objeto de una variedad de investigaciones de investigación porque tiene el potencial de ser fabricado de manera económica para competir con otras tecnologías de células solares. Las nanopartículas de dióxido de titanio se han utilizado ampliamente como electrodo de trabajo para DSSC porque proporcionan una alta eficiencia, más que cualquier otro semiconductor de óxido metálico investigado. Sin embargo, la mayor eficiencia de conversión bajo irradiación de masa de aire (AM) 1.5 (100 mW / cm2) reportada para este dispositivo hasta la fecha es de aproximadamente 11%. A pesar de este éxito inicial, el esfuerzo por mejorar aún más la eficiencia no ha producido ningún resultado importante. El transporte de electrones a través de la red de partículas ha sido un problema clave para lograr una mayor eficiencia de fotoconversión en electrodos nanoestructurados. Debido a que los electrones encuentran muchos límites de grano durante el tránsito y experimentan un camino aleatorio, la probabilidad de su recombinación con el sensibilizador oxidado aumenta. Por lo tanto, no es adecuado agrandar el área de la superficie del electrodo de óxido para aumentar la eficiencia porque se debe evitar la recombinación de carga generada por foto. Promover la transferencia de electrones a través de electrodos de película y los estados de la interfaz de bloqueo que se encuentran por debajo del borde de la banda de conducción son algunas de las estrategias no basadas en CNT para mejorar la eficiencia que se han empleado.

Con el progreso reciente en el desarrollo y la fabricación de CNT, existe la promesa de utilizar varios nanocompuestos y nanoestructuras basados en CNT para dirigir el flujo de electrones fotogenerados y ayudar en la inyección y extracción de carga. Para ayudar al transporte de electrones a la superficie del electrodo colector en un DSSC, un concepto popular es utilizar redes CNT como soporte para anclar partículas semiconductoras recolectoras de luz. Los esfuerzos de investigación en esta línea incluyen la organización de puntos cuánticos CdS en SWCNT. La inyección de carga desde CdS excitado en SWCNTs se documentó con la excitación de nanopartículas de CdS. Otras variedades de partículas semiconductoras, como CdSe y CdTe, pueden inducir procesos de transferencia de carga bajo irradiación de luz visible cuando se unen a CNT. Incluyendo la porfirina y el fullereno C60, la organización del polímero donante fotoactivo y del fullereno aceptor en las superficies de los electrodos también ha demostrado ofrecer una mejora considerable en la eficiencia de la fotoconversión de las células solares. Por lo tanto, existe la posibilidad de facilitar el transporte de electrones y aumentar la eficacia de la fotoconversión de los DSSC que utilizan la capacidad de aceptar electrones de las SWCNT semiconductoras.

Otros investigadores fabricaron DSSC usando el método sol-gel para obtener MWCNT recubiertos de dióxido de titanio para usar como un electrodo. Debido a que los MWCNT prístinos tienen una superficie hidrófoba y una estabilidad de dispersión pobre, el pretratamiento fue necesario para esta aplicación. Un método de destrucción relativamente baja para eliminar impurezas, el tratamiento con H2O2 se usó para generar grupos de ácido carboxílico por oxidación de MWCNT. Otro aspecto positivo fue el hecho de que los gases de reacción, incluidos el CO2 y el H2O, no eran tóxicos y podían liberarse de forma segura durante el proceso de oxidación. Como resultado del tratamiento, los MWCNT expuestos a H2O2 tienen una superficie hidrófila y los grupos ácido carboxílico en la superficie tienen enlaces covalentes polares. Además, la superficie cargada negativamente de los MWCNT mejoró la estabilidad de la dispersión. Para entonces, rodeando completamente a los MWCNT con nanopartículas de dióxido de titanio usando el método sol-gel, se logró un aumento en la eficiencia de conversión de aproximadamente 50% en comparación con una celda de dióxido de titanio convencional. Se concluyó que la interconectividad mejorada entre las partículas de dióxido de titanio y los MWCNT en la película de dióxido de titanio poroso era la causa de la mejora en la densidad de corriente de cortocircuito. Una vez más, se pensó que la adición de MWCNTs proporcionaba una transferencia de electrones más eficiente a través de la película en el DSSC.