Simulación de la actividad del colorante en el proceso de captación de energía en celdas solares sensibilizadas

Abstract

En este trabajo se han estudiado mediante métodos cuánticos que se describen en el capítulo 1 diferentes aspectos relacionados con el funcionamiento y la eficiencia de las celdas solares sensibilizadas con colorantes orgánicos. Por una parte se ha trabajado sobre los aspectos relacionados con el semiconductor que actúa como receptor de carga en el proceso de inyección de electrones desde el colora nte. En primera instancia se ha elegido óxido de titanio en su fase rutilo ya que es la forma más estable y mejor conocida. Aunque en la mayor parte de los experimentos se utiliza bajo forma policristalina, una superficie regular puede constituir una buena aproximación siempre y cuando exhiba un número adecuado de defectos. Se ha analizado la interacción de esta superficie con metanol, un disolvente que junto con el acetonitrilo se emplea a menudo en DSSCs. Haciendo uso de técnicas de cálculo de estructura electrónica adaptadas a sólidos mediante la introducción de condiciones periódicas, se han analizado los diferentes centros de adsorción y los procesos disociativos que tienen lugar (capítulo 2). Por otra parte, se ha evaluado la idoneidad de diferentes colorantes para su uso en este tipo de celdas. Se ha comenzado con colorantes sencillos, cuyas propiedades han sido estudiadas anteriormente, como la alizarina, colorante de tipo I (capítulo 3) y el catecol, colorante de tipo II (capítulo 4). Se han estudiado a nivel DFT las propiedades estructurales y electrónicas de estos colorantes aislados y adsorbidos sobre diferentes agregados de TiO2 y se ha estudiado la respuesta óptica de las diferentes estructuras utilizando TD-DFT. Un objetivo importante de esta parte del trabajo consiste en comprobar la idoneidad de la TD-DFT en tiempo real para reproducir el espectro electrónico de colorantes orgánicos. La TD-DFT en tiempo real permite considerar sistemas de mayor tamaño que los estudiados en los trabajos teóricos llevados a cabo hasta ahora y construir modelos que se acercan más a las condiciones experimentales. Otro objetivo importante de esta parte del trabajo consiste en comprobar cuál es el agregado de TiO2 más pequeño con el que se pueden simular de forma semicuantitativa todas las características de la estructura electrónica del sistema colorante-semiconductor.Por último se han estudiado varios colorantes de la familia de las cumarinas con el objetivo de determinar la relación entre ciertos parámetros obtenidos a partir de los cálculos y la eficiencia de los distintos colorantes estudiados (capítulo 5). En la última parte de este capítulo se muestra cómo pueden aplicarse los criterios establecidos como una ayuda para el diseño de nuevos colorantes, con más eficiencia que los existentes