Óxido de titanio dopado con niobio para la elaboración de células solares híbridas estables en atmósfera inerte.

La presente invención se refiere a un dispositivo fotovoltaico que comprende un óxido semiconductor inorgánico dopado con al menos un 10% en peso de Nb, un semiconductor orgánico, y NbO2. También se refiere a su procedimiento de obtención y a sus usos para la fabricación de células solares estables en atmósfera inerte.

Óxido de titanio dopado con niobio para la elaboración de células solares híbridas estables en atmósfera inerte.

La presente invención se refiere a un dispositivo fotovoltaico que comprende un óxido semiconductor inorgánico dopado con al menos un 10% en peso de Nb, un semiconductor orgánico, y NbO₂. También se refiere a su procedimiento de obtención y a sus usos para la fabricación de células solares estables en atmósfera inerte.

Estado de la técnica anterior

La aplicación de óxidos semiconductores dopados en células solares excitónicas, XSCs (células solares de colorante, híbridas y orgánicas) es relativamente reciente y puede atribuirse probablemente a Humin Chang quien informó, en 1999, de la síntesis de TiO₂ dopado con Zn²⁺ y su aplicación en DSCs (óxido de titano sensibilizado) (Y. Wang, Y. Hao, H. Chang, J. Ma, B. Xu, W. Li and S. Cai. J. Mater. Sci. 1999, 34 2773-2779). Después de este informe, y especialmente en los últimos años, se ha aplicado un número creciente y una amplia variedad de nanomateriales dopados en DSCs y de forma más escasa en HSC (célula solar híbrida) (D.C. Olson, et Al. Adv. Func. Mater. 2007, 17, 364- 269; y en J. Piris et Al Adv. Func. Mater. 2007, 17, 3849-3857). Algunos de estos materiales son ZnO dopado con Ga (J. Owen et Al. Applied Physics Letters 90, 033512 (2007), TiO₂ dopado con N (O. Diwald et Al. J. Phys. Chem. B 108 (2004), 6004-6008.), TiO₂ dopado con Nd (Q. Yao et Al. Asian J. 2006, 1,737 - 741), Zn-TiO₂, La-CeO₂, Co-ZnO, Yb-TiO₂, Ge-TiO₂, Zr-TiO₂, Nb-Sn-TiO₂, C-TiO₂, Cr-TiO₂, Li-NiO₂ Cu-TiO₂. Las razones para su aplicación convergen en cuatro objetivos principales: 1) mejora de la eficiencia de conversión de fotón a electrón con respecto al óxido sin dopar (A. V. Emeline et Al, J. Phys. Chem. B 109 (2005), 24441-24444), 2) desplazar la banda de absorbancia del óxido semiconductor de los UV hacia la luz visible en 3) la posibilidad de aplicar óxidos dopados como fotosensibilizador de luz visible evitando el uso de semiconductores orgánicos (de colorante o polímero) (T. Myagi et al. J. J. App. Phys. 43 (2004), 775-776), 4) evitar la creación de vacancias de oxígeno que probablemente son responsables de la degradación del colorante (Y. Furubayashi et Al, App. Phys. Lett. 86 (2005) 252101-1 252101-3), 5) Reducir la resistencia eléctrica de los óxidos puros o 6) reducir las reacciones electrónicas inversas.

Yao y col. (Q. Yao et Al, Asian J. 2006, 1,737 - 741) sintetizaron nanohilos de TiO₂ dopado con Nd monodispersado (20 nm: 2 nm) mediante procedimientos solvotérmicos y caracterizados por TEM, DRX y EDS. Se investigó la aplicación de las nanohilos para modificar los fotoánodos convencionales en células solares sensibilizadas por colorante (DSSC). Los datos muestran que, después de la modificación, se observó un aumento de la eficiencia de conversión de fotones incidentes a corriente (IPCE) en todo el intervalo de la luz visible y se logró un incremento del 33,3% para la eficiencia de conversión global. Su propuesta mecanicista fue que los iones de Nd dopados en nanohilos de TiO₂ mejoran en hasta cierto punto la inyección de electrones excitados y disminuyen la tasa de recombinación de los electrones inyectados.

Furubayshi y col (Y. Furubayashi et Al. App. Phys. Lett. 86 (2005) 252101-1 252101-3), descubrieron unos óxidos conductores transparentes (TCO), películas de anatasa Ti_1-xNb_xO₂ con x = 0,002-0,2. La resistividad de las películas con x ≥q 0,03 fue 2-3×10^-4Ω cm a temperatura ambiente. La densidad de portadores de carga del Ti_1-xNb_xO₂ era controlable dentro del intervalo comprendido entre 1×1019 y 2×1021 cm^-3. La transmitancia interna para películas con x≤q0,03 (40 nm de espesor, desarrollada mediante deposición por láser pulsado, PLD sobre un sustrato de SrTiO₃ (100)) fue aproximadamente el 97% en la zona de la luz visible. La anatasa es un polimorfo del TiO₂, con una separación energética de 3,2 eV. También observaron que ambas longitudes a y c de los parámetros de la red cristalina aumentan casi linealmente con x hasta 0,2, siguiendo la ley de Vegard, indicando que al menos hasta el 20% de los iones de Nb son solubles en TiO₂. Las películas de Ti_1-xNb_xO₂ con x=0,03 mostraron notables propiedades ópticas y eléctricas.

Emeline y col. (2005) (en J. Phys. Chem. B 109 pag: 24441-24444) estudiaron el comportamiento fotoeléctrico de electrodos de TiO₂ dopado con Nb degenerado (Ti_1-xNb_xO₂: x=0, 0,01, 0,03, 0,06, 0,1) preparados mediante deposición por láser pulsado sobre LaAlO₃ (LAO) y SrTiO₃ (STO) y revelaron que un incremento en la concentración de Nb causa una decadencia significativa de la fotoactividad del titanio. Una razón probable para tal comportamiento ha sido atribuida al efecto Burstein-Moss, que conduce a un corrimiento hacia el azul del límite espectral de la fotoactividad, otra razón típica para los fotocatalizadores dopados con metal es el incremento de la eficiencia de la recombinación de portadores de carga.

Las películas delgadas de Nb_0.06Sn_xTi_0.94-xO₂ (x ≤q 0,3) desarrolladas mediante un procedimiento de deposición por láser pulsado con concentración variable de Sn fueron estudiadas y examinadas por Chen y col. (T. L. Chen et Al, J. Phys. D: Appl. Phys. 40 (2007), 5961-5964). Mediante una técnica combinatoria, descubrieron que la concentración de Sn podría alcanzar un máximo de aproximadamente x = 0,3 manteniendo estable la fase y la epitaxia de la anatasa. Se reveló una dependencia de la concentración de dopado de la refractividad, en la que se estima que la reducción de una longitud de onda de λ = 500 nm es el 12,4% para una película delgada de Nb_0.06Sn_0.3Ti_0.64O₂. El desplazamiento hacia el azul de la banda prohibida inducido por dopaje con Sn puede contribuir a la mezcla de orbitales 5s del Sn extendidos con la banda de conducción de TiO₂. Se mostraron baja resistividad del orden de 10⁴ Ω•cm a temperatura ambiente y alta transmitancia interna de más del 95% en la zona de la luz visible para películas delgadas de Nb_0.06Sn_xTi_0.94-xO₂ (x≤q0,2). Los análisis ópticos y de transporte demostraron que dopar con Sn el Nb_0.06Ti_0.94O₂ podría reducir la refractividad manteniendo baja resistividad y alta transparencia.

Descripción de la invención

La presente invención proporciona un dispositivo fotovoltaico que comprende un óxido semiconductor inorgánico dopado con al menos un 10% en peso de Nb, un semiconductor orgánico, y NbO₂. También proporciona su procedimiento de obtención y su uso para la fabricación de células solares.

Un primer aspecto de la presente invención se refiere a un dispositivo fotovoltaico (a partir de ahora dispositivo fotovoltaico de la invención) que comprende:

- un óxido semiconductor inorgánico dopado con más de un 10% en peso de Nb,

- un semiconductor orgánico, y

- NbO₂.

Por "dispositivo fotovoltaico" en la presente invención se entiende el mecanismo o artificio dispuesto para producir una generación de fuerza electromotriz por la acción de la luz incidente en el mismo.

El dispositivo fotovoltaico de la presente invención es de tipo híbrido, ya que está formado por interfases óxido/polímero que presentan un mecanismo de intercambio de oxígeno con la atmósfera necesario para su correcto funcionamiento como transportadores de carga (electrones). Sin embargo, es este mismo oxígeno el que con el tiempo es el responsable de la degradación de los semiconductores orgánicos (colorantes, polímeros, etc.) con el tiempo, limitando así la vida útil del dispositivo. La situación ideal sería entonces la encapsulación del dispositivo en atmósfera inerte para evitar la degradación del semiconductor orgánico, pero la presencia de atmósferas inertes elimina el oxígeno requerido por el óxido semiconductor para... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo fotovoltaico que comprende las siguientes capas: