MÉTODO PARA DETERMINAR LAS PROPIEDADES FOTOVOLTAICAS DE MATERIALES SÓLIDOS SUSCEPTIBLES DE ACTUAR COMO ABSORBENTES DE LUZ EN DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS.

MÉTODO PARA DETERMINAR LAS PROPIEDADESFOTOVOLTAICASDE MATERIALES SÓLIDOSSUSCEPTIBLES DE ACTUAR COMO ABSORBENTESDE LUZEN DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOSSECTOR DE LA TÉCNICALa presente invención se refiere a un método para 5analizar el funcionamiento de materiales que tienen o pueden tener uso en dispositivos fotovoltaicos. Se encuentra pues dentro del sector de nuevos materiales, mientras que su aplicación se ubica principalmente en el sector energético, y más concretamente en el de energías 10renovables.ESTADO DE LA TÉCNICALos dispositivos fotovoltaicos para aprovechamiento de energía solar usados en el estado del arte actual se basan generalmente en materiales absorbentes de luz con carácter 15semiconductor, es decir, que tienen una estructura electrónica con una banda de valencia y una banda de conducción (las cuales, en ausencia de defectos o impurezas, están respectivamente llena y vacía de electrones) separadas por un intervalo de energías 20prohibidas a los electrones (el “bandgap” en la terminología inglesa habitual) . En estos materiales, la absorción de un fotón de radiación electromagnética con energía igual o superior a la anchura del bandgap produce la excitación de un electrón desde la banda de conducción 25 (en la que queda entonces un estado electrónico vacío, llamado hueco) a la banda de valencia, cruzando el bandgap. Dicho electrón y dicho hueco, adecuadamente separados y encaminados, pueden producir corriente y voltaje eléctricos con el resultado final de la conversión de energía luminosa 30en energía eléctrica.Tanto para el uso práctico de estos sistemas como para evaluar la eficiencia y otras características del material absorbente de luz, lo habitual es situar sobre éste, que se encuentra en estado más o menos compacto (monocristalino o 35 no; frecuentemente, en forma de lámina delgada) y con superficie relativamente lisa, contactos eléctricos selectivos de forma que en uno de ellos sólo se transfieren electrones entre éste y la banda de valencia, mientras que en el otro contacto sólo se transfieren electrones entre él 5y la banda de conducción. Estos dos contactos tienden así a equilibrar sus potenciales eléctricos con los potenciales electrónicos promedio de los electrones y huecos respectivos. Esto requiere diseñar y establecer dichos contactos selectivos, lo que puede ser difícil sobre todo 10si el material absorbente es de un tipo nuevo (con lo que no se sabe a priori qué materiales de contacto son los más adecuados) o/y se ha de preparar, al menos inicialmente, en forma pulverulenta o con superficie denanoestructura compleja.15Cabe mencionar que se han propuesto recientemente variantes de célula fotovoltaica en las que los materiales absorbentes realizan su función electrónica de un modo algo distinto al arriba citado, y en las cuales puede aparecer esta dificultad de modo particular. Tal es el caso de la 20que usa en los materiales absorbentes el principio llamado de banda intermedia (ver A. Luque, A. Martí; Phys. Rev. Lett.78, 1997, 5014) , también llamado de banda de impurezas o multibandas (Figura 1) . En estosmateriales, además de las bandas de valencia y conducción ya 25mencionadas existe otra que no se superpone en energía con ellas sino que se sitúa energéticamente entre ambas y que puede estar parcialmente ocupada por electrones. Esta banda intermedia permitiría entonces, mediante la absorción de dos fotones con energías inferiores a la anchura del 30bandgap, llevar un electrón de la banda de valencia a la banda intermedia (produciendo en la banda de valencia un hueco) y luego de la banda intermedia a la de conducción, produciendo el mismo resultado final que el que se puede conseguir, tal como se describe en el primer párrafo de 35 esta sección, absorbiendo un solo fotón de energía superior a la anchura del bandgap básico. Con tal esquema se puede obtener, en principio, una eficiencia total en el aprovechamiento de la energía solar bastante mayor que la alcanzable con un semiconductor normal. Este tipo de 5material más complejo es relativamente nuevo, y puede suceder que los materiales que se propongan para ello no se sepan preparar en la forma compacta y lisa necesaria para poner sobre ellos contactos eléctricos selectivos, o/y que se desconozca qué material conductor es adecuado para hacer 10tales contactos, impidiéndose la evaluación de la propiedad fotovoltaica del modo habitual.Como ejemplo de otro sistema fotovoltaico avanzado en que se dificulta la realización de contactos cabe mencionar el que intenta usar los llamados portadores calientes, o 15“hot carriers” en terminología inglesa (ver P. Würfel, A.S. Brown, T.E. Humphrey, M.A. Green; Prog. Photovolt.Res. Appl.13, 2005, 277) . Estos portadoresson los electrones y huecos que tras ser excitados con fotones de energía superior a la anchura del bandgap tienen inicialmente una 20energía cinética en exceso, lacual puede aprovecharse si su transmisión al exterior se hace a través de compuestos (por ejemplo, ciertas moléculas o puntos cuánticos) , situados en su superficie que permiten extraer y llevar a los contactos eléctricossólo portadores con cierto valor 25de energía. Estos sistemas requieren un espesor del material absorbente muy pequeño, típicamente menor que 10 nm (1 nm= una millonésima de milímetro) , por lo que para tener suficiente absorción de luz deben depositarse como recubrimiento ultradelgado sobre un sustrato poroso o 30filiforme, lo que dificulta colocar los contactos.Conviene pues disponer de métodos que permitan valorar la capacidadde un materialde dar un buen rendimiento fotovoltaico, en particular en sistemas más avanzados como los mencionados, sin necesidad de formar sobre ellos 35 contactos metálicos con los que medir voltaje y corriente. En algunos casos pueden usarse medidas de fotoluminiscencia, pero éstas suelen requerir muy bajas temperaturas, y de todos modos no son aplicables en sistemas como los que usan semiconductores de bandgap 5indirecto (es decir, aquellos en que los estados electrónicos de los bordes de las bandas de valencia y conducción tienen distinto momento cinético; la transición de luminiscencia entre dichos bordes está prohibida) o los que usan portadores calientes, pues la luminiscencia 10fácilmente detectable se da cuando la energía cinética en exceso ya se ha perdido. No existe, por lo que estos inventores saben, ningún otro método que pueda servir para ello.En cuanto a los procesos fotocatalíticos, son 15conocidos desde hace tiempo (para una revisión de los mismos, ver por ejemplo B. Ohtani; Inorg. Photochem. 63, 2011, 395) . En ellos, tal como muestra la Figura 2, los electrones excitados y huecos que se producen en un semiconductor cuando éste absorbe fotones con energía mayor 20que la anchura de su bandgap difunden a la superficie del material, que está en contacto con un fluido que contiene especies químicas capaces de ceder o capturar electrones. Se producen entonces transferencias electrónicas entre el sólido y dichas especies, con cambios químicos en éstas que 25pueden ser detectados y medidos. Estos procesos fotocatalíticos se usan o proponen habitualmente para la eliminación de sustancias contaminantes, la obtención de combustibles como el hidrógeno (con lo que se aprovecha y almacena químicamente energía solar) o la síntesis de 30compuestos químicos específicos. Por lo que saben los autores de esta invención, tales procesos no se han usado anteriormente como método para analizar las propiedades de los materiales sólidos en su uso como absorbentes de luz en una aplicación fotovoltaica, aunque sí se han ensayado en 35 algunas ocasiones con materiales de uso fotovoltaico conocido, con la finalidad de comprobar si éstos tienen además propiedades fotocatalíticas. En particular, nunca se han ensayado en materiales de uso fotovoltaico para los que se sepa o suponga que tienen características de banda 5intermedia del tipo aquí descrito, ni para comprobar el posible aprovechamiento de portadores calientes en aplicaciones fotovoltaicas.DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNBreve descripción de la invención10Un aspecto principal de la invención es un método para determinar las propiedades fotovoltaicas de materiales sólidos susceptibles de actuar como absorbentes de luz en dispositivos fotovoltaicos. Dicho método se caracteriza por que se realiza mediante una reacción fotocatalítica, y 15comprende al menos las siguientes etapas:a) poner en contacto el material sólido absorbente de luz con un fluido que contiene al menos una especie química susceptible de reaccionar por transferencia electrónica con dicho material sólido;20b) irradiar el material sólido al menos una vez, mientras está en contacto con el fluido, con un haz de luz que contiene al menos una longitud de ondaseleccionadadentro del intervalo del espectro solar comprendido...

1.Un método para determinar las propiedades fotovoltaicas de materiales sólidos susceptibles de actuar como absorbentes de luz en dispositivos fotovoltaicos, caracterizado por que se realiza mediante una reacción 5fotocatalítica y comprende al menos las siguientes etapas:a) poner en contacto el material sólido absorbente de luz con un fluido que contiene al menos una especie química susceptible de reaccionar por transferencia electrónica con dicho material sólido;10b) irradiar el material sólidoal menos una vez, mientras está en contacto con el fluido, con un haz de luz quecontiene al menos una longitud de ondaseleccionadadentro del intervalo del espectro solarcomprendido entre 350 y 2000 nm; y15c) determinar mediante análisis químico y/o espectroscópico del fluido la variación de la concentración de la o las especies químicas susceptibles de reaccionar por transferencia electrónica con el material sólido, y/o la presencia 20y concentración de al menos un producto resultante de la reacción de transferencia electrónica entre el material sólido y la o las especies químicas citadas.2.El método según la reivindicación 1, donde el material sólido es un material de banda intermedia.253.El método según la reivindicación 1, donde el material sólido es a su vezuna combinación deun material absorbente de luz y de uno o más compuestos superficiales transmisores de portadores con energía determinada, donde dicha combinación es susceptible de emplearse en un 30dispositivo fotovoltaico que aprovechaportadores calientes.4.El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 ó2, donde el material se encuentra en forma de polvo. 5.El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde el material sólido es un material poroso.6.El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde el fluido es un gasque contiene la o las especies químicas a reaccionar con el material sólido.57.El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde el fluido es un líquidoque contiene la o las especies químicas a reaccionar con el material sólido.8.El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, donde el material sólido se encuentra depositado sobre 10la superficie de un sustrato sólido, y es irradiado con el haz de luz mientras se encuentra en contacto con el fluido que contiene la especie o especies químicas susceptibles de reaccionar mediante transferencia electrónica.9.El método según la reivindicación 7, donde el material 15sólido es irradiado con el haz de luz mientras se encuentra en suspensión dentro de una disolución líquida que contiene la especie o especies químicas susceptibles de reaccionar mediante transferencia electrónica con el material.10.El método según una cualquiera de las1 a 9, donde el 20haz de luz se compone de un intervalo continuo de longitudes de ondacomprendido entre 350 nm y 2000 nm, incluidos ambos límites.11.El método según la reivindicación 10, donde el intervalo continuo de longitudes de onda está comprendido 25entre 400nm y 1500nm, incluidos ambos límites.12.El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1a 9, donde el haz de luz se compone deun intervalo de longitudes de onda con una anchura igual o inferior a 50 nm.3013.El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, donde el haz de luzse compone de una única longitud de ondadiscreta.14.El método según una cualquiera de lasreivindicaciones 12ó 13, donde el material sólido y el fluido son 35 irradiados más de una vez, siendo diferente en cada irradiaciónlalongitud de ondadiscretao el valor medio del intervalo de longitudes de ondaquecomponen el haz de luz.15.Uso de un dispositivodemedida de actividad 5fotocatalítica para lamedición de propiedades fotovoltaicas de un material sólido susceptible de actuar como absorbente de luz en dispositivos fotovoltaicos de acuerdo con el métododescrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14.1016.Uso según la reivindicación anterior, donde el dispositivo de reacciones fotocatalíticas comprende:a) un reactor químico donde se alojanel material sólido y el fluido con el que está en contacto, y donde tiene lugar la reacción fotocatalítica;15b) medios de irradiación, que comprendenal menos una fuente de luz para irradiar el material sólido mientras está en contacto con el fluido;c) medios para determinar química y/o espectroscópicamente la variación y concentración de 20la o las especies susceptibles de reaccionar con el material sólido, y/o la presencia y concentración de productos resultantes de la reacción del material sólido con la o las especies químicas durante la irradiación.2517.Uso según la reivindicación anterior, donde los medios de irradiación comprenden medios seleccionadores de longitud de onda del haz de luz. Figura 31 2 34 5 6 8 97 101112