In this work, was carried out a study of the electrical properties of quantum dots sensitized solar cells with cadmium, zinc and sulfur (CdZnS) quantum dots. The objective is to increase the absorption light in the electromagnetic spectrum through the growth of the material. In this work, quantum dots sensitized solar cells were manufactured with the TiO2/CdS/ZnS configuration. An experimental investigation was carried out varying the concentration of the deposits of the films to analyze how the electrical properties of the solar cells are affected by the thickness of each films.En este trabajo se realizó un estudio de las propiedades eléctricas de celdas solares sensibilizadas por puntos
cuánticos a base de cadmio zinc azufre ( CdZnS). El objetivo es aumentar la absorción de luz en el espectro electromagnético por medio del crecimiento del material. En este trabajo, se fabricaron celdas solares sensibilizadas por puntos cuánticos con la configuración TiO2/CdS/ZnS. Se realizó una investigación experimental variando las concentraciones de los depósitos de las películas para analizar cómo las propiedades eléctricas de las celdas solares son afectas por el espesor de cada una de las películas

Esparza Salazar, Diego

Rivas Martínez, Jesús Manuel

Solís Luna, Omar Eduardo

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Caxcan Repositorio Institucional de la Universidad Autónoma de Zacatecas

   Vol. 14, No. 2 (2020)      Jornadas de Investigación UAZ – 2020  ________________________________________________________________  Coordinación de Investigación y Posgrado Universidad Autónoma de Zacatecas   Diciembre de 2020  Estudio de las propiedades eléctricas de celdas solares  sensibilizadas por puntos cuánticos de CdS/ZnS  Omar E. Solis, Jesús Manuel Rivas y Diego Esparza  Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica, Universidad Autónoma de Zacatecas  Av. Ramón López Velarde 801 Col. Centro, Zacatecas, Zac. CP 98060  osolisluna@gmail.com  Resumen: En este trabajo se realizó un estudio de las propiedades eléctricas de celdas solares sensibilizadas por puntos cuánticos a base de Cadmio Zinc Asufre( CdZnS). El objetivo es aumentar la absorcion de luz en el espectro electromagnetico por medio del crecimiento del material. En este trabajo, se fabricaron celdas solares sensibilizadas por puntos cuánticos con la configuración TiO2/CdS/ZnS. Se realizó una investigación experimental variando las concentraciones de los depósitos de las películas para analizar cómo las propiedades eléctricas de las celdas solares son afectas por el espesor de cada una de las películas.  Palabras clave: Puntos cuánticos, Celdas Solares. Abstract: In this work, was carried out a study of the electrical properties of quantum dots sensitized solar cells with cadmium, zinc and sulfur (CdZnS) quantum dots. The objective is to increase the absorption light in the electromagnetic spectrum through the growth of the material. In this work, quantum dots sensitized solar cells were manufactured with the TiO2/CdS/ZnS configuration. An experimental investigation was carried out varying the concentration of the deposits of the films to analyze how the electrical properties of the solar cells are affected by the thickness of each films.  Keywords: Quantum dots, Solar cells.                                  ______________________________________________________________________  1. Introducción Los puntos cuánticos son materiales semiconductores de tamaño nanometrico (1x10-9m) regularmente menor a 10 nm, este tipo de materiales presenta un fenómeno llamado fenómeno de confinamiento cuántico. Este fenómeno se presenta cuando el tamaño de la partícula es del orden del radio de Bohr del material, en este orden de magnitud el movimiento de los electrones y huecos se confina en las 3 dimensiones espaciales. Su principal característica es que, a través del proceso de la discretización de los estados electrónicos, se puede sintonizar el rango de absorción de energía según su composición y tamaño. Existen diferentes tipos de puntos cuánticos compuestos principalmente de los grupos II-IV de la tabla periódica (CdSe, CdTe, CdS, ZnSe, ZnS, CdSeTe, etc.), además de puntos cuánticos de los grupos IV-VI como son PbSe, PbS, PbTe etc[1-20]. Los puntos cuánticos cuentan con una infinidad de aplicaciones, las mas destacadas son aplicaciones biomédicas, sensores, diodos emisores de luz y celdas solares. Las celdas solares son dispositivos fotovoltaicos capaces de convertir energía solar a energía eléctrica. Actualmente existen una gran variedad de tecnologías en la fabricación de celdas solares, catalogándolas como celdas solares de primera generación, segunda generación y tercera generación. De las tres anteriores gran parte de la investigación actual se centra en las celdas solares de tercera generación. Una de este tipo de celdas es la celda de Graetzel, fabricada por primera vez por O´Regan y Graetzel. Este dispositivo fotovoltaico consiste en un fotoelectrodo transparente (FTO) seguido por una película de dióxido de titanio (TiO2) recubierta por un colorante orgánico, los electrones son absorbidos por el colorante y transportados a través del TiO2 hacia el electrodo, mientras que los huecos son regenerados por medio de un electrolito liquido y un contra electrodo[21-27]. Las celdas solares sensibilizadas por puntos cuánticos son similares a las celdas solares tipo Graetzel, la diferencia fundamental es que en las celdas tipo Graetzel se utiliza un colorante orgánico como material sensibilizador, mientras que, en las celdas solares sensibilizadas con puntos cuánticos, el colorante es sustituido por el punto cuántico. De esta forma la luz es absorbida directamente por el punto cuántico, por lo que al aumentar el número de fotones absorbidos a longitudes de onda más cortas aumentas el numero de portadores de carga, de forma análoga a una celda solar convencional, pero con una fabricación más simple. [28-35]  En este trabajo, se presenta el proceso de fabricacion de celdas solares sensibilizadas por puntos cuanticos del tipo CdZnS, el metodo de deposito es por medio de la adsorción y reacción sucesiva de capas iónicas (SILAR, por sus siglas en ingles). El proceso de deposito nos muestra que la cantidad de material depositado depende del numero de ciclos SILAR depositado, ademas la eficiencia de conversion de energia depende primordialmente de la cantidad de material depositado.   2.  Proceso de Fabricación  2.1 Lavado de substratos 323   Vol. 14, No. 2 (2020)      Jornadas de Investigación UAZ – 2020  ________________________________________________________________  Coordinación de Investigación y Posgrado Universidad Autónoma de Zacatecas   Diciembre de 2020          Se utilizaron substratos con oxido de estaño dopado con flour (FTO), el proceso de lavado fue en varias etapas; primero por medio de un ultrasonido se enjuagaron con agua y jabón por 10 minutos, en seguida se puso nuevamente en el baño ultrasónico en agua, después se puso otros 10 minutos en el baño ultrasónico en una mezcla de agua con alcohol isopropilico, en una relación 1:1 y por ultimo fueron secados con aire. En la Figura 1 se muestra el proceso del lavado de los sustratos en un baño ultrasónico.  2.2  Depósito de TiO2 La fabricacion del dispositovo fotovoltaico consta de 3 peliculas de TiO2, la primer pelicula es una pelicula compacta, esta consiste en depositar Disopropoxido de Titanio y Etanol en una concentración de (1:3 en volumen) por medio de la tecnica llamada rocío pirolitico. Esta técnica se usa para depositar una amplia variedad de materiales, en la cual puedes variar el espesor con la variación de la viscosidad del material depositado. Esta técnica consiste en aumentar la temperatura del substrato y depositar el material por medio de choque térmico [2], para esto se necesitó calentar los substratos en un plato de calentamiento a 450ºC para luego depositar la solución de Disopropoxido de Titanio y Etanol.  En la Figura 2 se muestra la técnica de depósito utilizada. La segunda capa de TiO2 forma una pelicula mesoporosa, esta capa se deposito por medio de la tecnica llamada Dr Blade, la cual consiste en hacer un arrastre de la pasta de TiO2 para formar una pelicula, después se realiza un proceso de secado en un plato de calentamiento a 100ºC por 10 minutos. Enseguida se deposita otra capa de TiO2, con la diferencia que esta capa esta formada por particula mas grandes que la primera capa, se realiza nuevamente el proceso de secado como se mensiono anteriormente. Finalmente se calcinan a 450ºC por 1 hora.  2.3 Depósito de puntos cuánticos de CdS Para el depósito de los puntos cuánticos se utilizó la técnica SILAR, que es usada para depositar capas aproximadamente de 10 micrómetros de espesor en áreas de hasta 10 cm2 [3]. La cual consiste en sumergir el substrato con una película mesoporosa de TiO2 en una solución, que incluye cationes y aniones, alternativamente, de esta forma se depositan los puntos cuánticos y se pueden controlar con el número de ciclos del SILAR [4]. Para depositar los puntos cuánticos de CdS se utilizó una concentración de Ƞ=0.05 mol/L, para conseguir estos puntos cuánticos se utilizan cuatro etapas, las cuales consisten en cuatro contenedores; de los cuales el primero contiene acetato de Cd disuelto en metanol, el segundo es un lavado de metanol, el tercero es Na2S  disuelto en agua desionizada y metanol en una proporción 1:1 en volumen y la ultima es un lavado que contiene una mezcla de metanol y agua desinizada en una proporción 1:1. Los substratos tienen que pasar por cada uno de estos contenedores en el orden mencionado, al término del cuarto contenedor se le llama un ciclo, la cantidad de material depositado depende del numero de ciclos. La figura 3 muestra un dibujo esquemático del proceso SILAR, básicamente del depósito del punto cuántico de CdS.    Fig. 1.- Lavado de substratos.    Fig. 2. Deposito de película compacta de TiO2.    Fig. 3. Deposito de puntos cuánticos de CdS por SILAR [5]. I) Acetato de Cadmio. II) Lavado de metanol. III) Na2S disuelto en metanol y agua desionizada. IV) Lavado de metanol y agua desionizada.  Para el depósito de los puntos cuánticos de ZnS también se utilizó la técnica SILAR, al igual que en el depósito anterior se usaron cuatro etapas, pero con una concentración de Ƞ=0.1 mol/L, la primera etapa contiene acetato de zinc disuelto en agua desionizada, la segunda es un lavado que contiene agua desionizada, la tercera contiene Na2S disuelto en agua desionizada y la ultima es un lavado con agua desionizada. La Figura 4 muestra una fotografía real del proceso de deposito de puntos cuánticos de ZnS por medio de SILAR.  2.4 Polisulfuros Para regenerar el material sensibilizante a través del transporte de huecos, es necesario que ocurra una reacción redox entre dos 324   Vol. 14, No. 2 (2020)      Jornadas de Investigación UAZ – 2020  ________________________________________________________________  Coordinación de Investigación y Posgrado Universidad Autónoma de Zacatecas   Diciembre de 2020  compuestos, en donde el sensibilizante toma el papel de compuesto a reducirse y el electrolito el compuesto a oxidarse. El electrolito empleado en la medición del dispositivo es polisulfuro, el cual consiste en una solución de 1M de S, 1M de Na2S, 0.1M de NaOH y 20 ml de agua destilada. Desde la perspectiva de una reacción química, la oxidación ocurre en la interacción del fotoánodo con el electrolito [6]. La figura 5 muestra el proceso de sintesis del electrolito a base de polisulfuros.  2.5 Contraelectrodos  Dado que el proceso de reducción se lleva a cabo en la interfase entre el electrodo y el electrolito, es preferible que el material que toma el papel de contraelectrodo sea catalíticamente activo a reducir al electrolito, es decir, la elección del contraelelctrodo depende del electrolito empleado. Para este caso, el contraelectrodo empleado es a base de cobre (latón) ya que posee una alta actividad catalítica en la reducción de polisulfuros; el contraelectrodo se somete a un baño de ácido clorhídrico (HCl) [7] por ~1 hora, lo cual deja una capa expuesta de cobre, despues se realiza una reaccion utilizando el electrolito para formar el contraelectrod de sulfuro de cobre (Cu2S).  2.6 Ensamblado Para ensamblar el dispositivo fotovoltaico se pone el substrado con los depósitos de TiO2 y los puntos cuánticos de CdS/ZnS sobre el contraelectrodo de Cu2S y en medio de los dos se agrega una pequeña cantidad de los polisulfuros, tal y como se muestra en la Figura 6.  3. Resultados La figura 7 muestra el deposito de la película compacta de TiO2, como se puede observar es una película homogénea, se puede distinguir por medio de una mascara el lugar de deposito de la película. La figura 8 nos muestra los fotoelectrodos de TiO2 con el deposito de CdS por medio del método SILAR, como se puede observar, la película de TiO2 esta completamente pintada de color amarillo, esto indica el deposito de CdS por medio de SILAR. El proceso de medición de propiedades ópticas se midió por medio de un multímetro y el ensamblaje de la celda solar. La Figura 9 muestra la medición de voltaje directamente sobre el dispositivo fotovoltaico sin la presencia de luz. El multímetro muestra un voltaje de 0V, debido a que a el dispositivo esta completamente en obscuridad. Sin embargo, al ser irradiado con luz, se puede observar que el multímetro muestra un voltaje de 0.4 V, mientras que a luz ambiente se puede observar un voltaje de 0.1 V. De esta forma mostramos que el dispositivo es sensible a la luz, sin embargo, es necesario hacer más caracterización óptica para mostrar la foto generación de corriente producida en el dispositivo fotovoltaico.      Fig. 4. Depósito de puntos cuánticos de ZnS por el método SILAR.    Fig. 5. Elaboración de polisulfuros.   Fig. 6. Diagrama de ensamblado de la celda [8].    Fig. 7. Deposito de película compacta de TiO2.   Fig. 8. Fotoelectrodos de TiO2 sensibilizados por medio de SILAR. 325   Vol. 14, No. 2 (2020)      Jornadas de Investigación UAZ – 2020  ________________________________________________________________  Coordinación de Investigación y Posgrado Universidad Autónoma de Zacatecas   Diciembre de 2020    Fig. 9. Medicion de las propiedades electricas de una celda solar sensibilizada por puntos cuanticos.  4. Conclusiones Se mostro la fabricación de celdas solares sensibilizadas por puntos cuánticos, por medio del método SILAR se depositaron puntos cuánticos del tipo CdS/ZnS. Se mostó la síntesis y el deposito y se analizaron las propiedades eléctricas de este tipo de celdas solares. Se pudo observar que el dispositivo genera un voltaje, al ser irradiado con luz, de hasta 400 mV, cuando no esta expuesto a la luz el voltaje es de 0V, cuando esta expuesto a luz ambiente este presenta un voltaje de 100 mV. Se pretende realizar una caracterización mas profunda para determinar la eficiencia de conversión y los parámetros electroquímicos del dispositivo.  Agradecimientos Este trabajo fue apoyado por una beca otorgada a través del programa para el desarrollo profesional docente del nivel superior (Prodep) número de proyecto F-PROMEP-38/Rev-04SEP-23-005.   Referencias [1] B. Y. Liu and R. C. Jordan, "The interrelationship and characteristic distribution of direct, diffuse and total solar radiation," Solar energy, vol. 4, no. 3, pp. 1-19, 1960. [2] N. S. Lewis, "Toward cost-effective solar energy use," science, vol. 315, no. 5813, pp. 798-801, 2007. [3] J. Palm, V. Probst, and F. H. 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