1. Nuevas líneas de investigación en células fotovoltaicas
Materiales y estructuras alternativos
en la fabricación de células fotovoltaicas
Juan Carlos Ferrer
Área de Electrónica
Universidad Miguel Hernández

2. Índice
1 Introducción
2 Células solares orgánicas
3 Células solares híbridas
4 Células solares de nanopartículas
5 Situación actual

3. Introducción
El silicio es el material dominante en la fabricación
de células fotovoltaicas
Es el material más abundante en la corteza terrestre
Las células de silicio mantienen la eficiencia
durante decenas de años
Sin embargo. . .
Los equipos y procesos de fabricación son costosos
Aprovecha parcialmente la energía del espectro
solar

4. Introducción

5. Introducción

6. Células solares orgánicas
¿Qué son?
Células solares basadas en polímeros conductores.
Ventajas
Bajo coste de producción de los polímeros conductores.
Tecnología de fabricación simple.
Posibilidad de utilizar substratos flexibles y de gran área.
Inconvenientes
Baja eficiencia.
Rápida degradación

7. Células solares orgánicas
Polímeros conductores (conjugados)
Enlaces π deslocalizados a lo largo de la cadena polimérica ⇒ Electrones
libres.
Caracter conductor o semiconductor.
Emisión y absorción de luz.
Posibilidad de introducir impurezas tipo n o p ⇒ Fabricación de uniones pn.
Solubles en disolventes orgánicos.
Procesables mediante técnicas de entintado: spin coating, inkjet printing . . .

8. Células solares orgánicas
Tipos de uniones
Uniones bicapa
Replican la estructura original de
las células fotovoltaicas mediante
un polímero donador y otro
aceptador de electrones.
Vidrio/PET
ITO
activa
Bicapa
Metal
−
+
Uniones dispersas
Maximizan la superficie de contacto
de la unión entre el polímero
donador y aceptador de electrones
para mejorar la eficiencia.
Vidrio/PET
ITO
Metal
−
+

9. Células solares orgánicas
Técnicas de fabricación
Técnicas de evaporación
Se basan en la evaporación de
monómeros que se depositan sobre
un substrato.
Evaporación en vacío
Los monómeros se depositan
directamente sobre el
substrato.
Permite depósitos de multiples
capas sin interacción entre
ellas.
Los equipos de fabricación son
complejos y costosos.
Depósito en fase vapor
Un gas inerte transporta los
monómeros hasta el substrato.
Produce capas más
homogéneas

10. Células solares orgánicas
Técnicas de fabricación
Procesado desde disolución
Se basan en técnicas de impresión convencionales. a partir del polímero en
disolución.
Procesado de substratos con gran superficie.
Velocidad de procesado rápida

11. Células solares híbridas
¿Qué son?
Células solares basadas en mezclas de polímeros conductores y nanopartículas
de semiconductor (nanocompuestos híbridos).
El objetivo es modificar las propiedades ópticas y eléctricas del polímero
mediante la inclusión de partículas inorgánicas
Ventajas
Mismas ventajas que las células orgánicas + . . .
Fácil integración de las nanopartículas con el polímero.
Fotogeneración múltiple de pares electrón-hueco
Modificación de la banda de absorción óptica
Inconvenientes
Rápida degradación.
Necesidad de disoventes compatibles con el polímero y las nanopartículas
Dificultades en la transferencia de carga.

12. Células solares híbridas
Propiedades de las nanopartículas
Fotogeneración múltiple de pares electrón-hueco
El exceso de energía de los fotones ultravioleta se pierde en forma de calor
en las células de silicio o poliméricas.
Un fotón muy energético es capaz de generar múltiples pares
electrón-hueco cuando incide sobre una nanopartícula.
La eficiencia se multiplica.
e−
h+
e−
h+

13. Células solares híbridas
Propiedades de las nanopartículas
Modificación de la banda de absorción óptica de polímeros conductores
Es posible extender la banda de absorción de los polímeros conductores,
añadiendo nanopartículas que captan fotones que no absorbe el polímero.
Posibilidad de controlar la concentración y el tamaño de los nanocristales.

14. Células solares híbridas
Depósito de capas
El nanocompuesto híbrido se deposita de la misma forma que el polímero.
No es necesario cambiar la tecnología de depósito.
Misma estructura de célula fotovoltaica.
Los nanocristales actúan como material activo.
Vidrio/PET
ITO
Metal
−
+

15. Células solares de nanopartículas
¿Qué son?
Células solares basadas únicamente en nanopartículas de semiconductor.
El objetivo es eliminar los inconvenietes del uso de los polímeros.
Ventajas
Métodos de síntesis y deposito sencillos
Procesables desde disolución
Fotogeneración múltiple de pares electrón-hueco
Modificación de la banda de absorción óptica
Menor degradación
Inconvenientes
Menor estabilidad mecánica
Capas menos uniformes
Posibilidad de cortocircuitos

16. Células solares de nanopartículas
Depósito de capas
Se depositan capas de nanocristales a partir de disoluciones concentradas.
Es necesario estabilizar la superficie de las partículas para solubilizarlas y
evitar su crecimiento.
Vidrio/PET
ITO
Metal
−
+

17. Células solares de nanopartículas
Síntesis de nanopartículas
Las nanopartículas se sintetizan mediante métodos de química coloidal.
Se sintetiza un precursor que contiene el metal (Pb, Cd. . . ) y el agente
estabilizador
SH F
Cd(NO3)2
F S Cd S F
Se forman las partículas añadiendo un calcógeno (S, Se. . . )
F S Cd S F
Se
CdSe

18. Situación actual
Células solares poliméricas
Actividad comercial de células orgánicas fabricadas por evaporación.
Konarka: Empresa pionera (2001) en la producción de células orgánicas.
Eight19: Fabrica células flexibles para paises en vias de desarrollo.
Heliatek: Produce células poliméricas con eficiencias del 12%.
Células híbridas
Eficiencias experimentales por debajo de las esperadas teóricamente.
Células de nanopartículas
En fase de desarrollo. Eficiencias del 7%.

19. Gracias por su atención