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000136049 1001_ $$aRoyo Sánchez, Raquel
000136049 24500 $$aDiseño, síntesis y aplicación de nuevos compuestos orgánicos fotoactivos en dispositivos fotovoltaicos de tercera generación: de la molécula al dispositivo
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000136049 4900_ $$aTesis de la Universidad de Zaragoza$$v2024-312$$x2254-7606
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000136049 520__ $$aTítulo: Diseño, síntesis y aplicación de nuevos compuestos orgánicos fotoactivos en dispositivos fotovoltaicos de tercera generación: de la molécula al dispositivo.<br />La industria de energías renovables ha experimentado una revolución gracias a las tecnologías fotovoltaicas, que proporcionan una alternativa limpia y sostenible a las fuentes de energía convencionales. Las tecnologías fotovoltaicas han evolucionado de manera constante durante las últimas dos décadas para mejorar las eficiencias de conversión de energía (PCE) de las celdas solares.1 Estas celdas solares se clasifican en generaciones, atendiendo a la línea temporal de su desarrollo, así como los materiales y técnicas empleados en su producción.2<br />¿ Las celdas solares de primera generación se fundamentan en la ¿tecnología de obleas¿ (término conocido en inglés como wafer-based technology), basada en los métodos previamente empleados en la fabricación de circuitos integrados de la época. Los módulos fotovoltaicos de primera generación siguen dominando el mercado de la energía solar, representando el 95% de la energía producida en 2020.3 Esta categoría abarca dispositivos solares basados en silicio monocristalino, silicio policristalino y arseniuro de galio (GaAs).<br />¿ La segunda generación de celdas solares fue desarrollada con el propósito de disminuir los costes de la generación anterior y mejorar sus características. Para lograr módulos más económicos se optó por reducir el material de los dispositivos adoptando así la tecnología de película delgada. Aunque en un principio esto comprometió la eficiencia de los nuevos dispositivos, la capacidad de utilizar otras técnicas de fabricación que requerían temperaturas más bajas, compensó la disminución de la PCE. La flexibilidad de esta tecnología ha posibilitado una variedad de aplicaciones en el ámbito de la electrónica portátil.4 En la actualidad, se ha superado la limitación inicial en eficiencia, logrando valores superiores al 20%, con un récord actual del 23,6%.5<br />¿ Las celdas solares de tercera generación se fundamentan en la tecnología de película delgada, incorporando nuevos materiales orgánicos, diferenciándose de la generación anterior al prescindir de una unión p-n estándar.2 Las ventajas de las tecnologías de película delgada incluyen la posibilidad de ajustar el intervalo de banda, haciéndolas una opción más efectiva para la captación de luz. Este avance se considera un importante cambio de paradigma en las tecnologías fotovoltaicas, ya que no solo mejoraría el rendimiento del dispositivo, sino que también reduciría los costes de fabricación y aumentaría la vida útil del dispositivo.2,4,6 <br />La tercera generación de celdas solares abarca una amplia variedad de tecnologías, entre las que destacan celdas sensibilizadas por colorante,7 de perovskita,8¿10 de quantum dots12,13 y las celdas solares orgánicas (OSCs)11 destacando las de multicapa14 (BHJSC, conocidas en inglés como Bulk-Heterojunction Solar Cells). Estas tecnologías varían desde opciones más asequibles, pero menos eficientes, como las celdas solares sensibilizadas por colorante y celdas orgánicas, hasta sistemas costosos de alta eficiencia como las celdas multicapa III-V, adecuadas para aplicaciones que van desde la integración en edificaciones hasta uso en tecnologías espaciales. A pesar de haber estado en desarrollo durante más de 25 años, estas celdas fotovoltaicas de tercera generación, a menudo denominadas "tecnologías emergentes", enfrentan desafíos en su penetración al mercado.15 Estas celdas deben superar limitaciones significativas relacionadas con problemas de estabilidad, escalabilidad del proceso de fabricación y uso de materiales tóxicos <br />La competitividad de las celdas solares de próxima generación está creciendo gracias a los esfuerzos de investigadores en el desarrollo de nuevos materiales, especialmente en el área de nanomateriales y nanotecnología. Esto impulsa la posibilidad de una cuarta generación de dispositivos, también conocidos como celdas híbridas inorgánicas. Estas celdas combinan el bajo coste y la flexibilidad de las películas delgadas de polímeros con la estabilidad de nanoestructuras orgánicas, como nanopartículas y óxidos metálicos, nanotubos de carbono, grafeno y sus derivados. Este enfoque, denominado ¿nanofotovoltaica¿, podría representar un futuro prometedor para la energía solar.16<br />Celdas Solares sensibilizadas por colorante (DSSCs)<br />Las DSSCs, pioneras en el ámbito de las tecnologías emergentes, ofrecen una vía prometedora para la conversión de energía solar gracias a un proceso de producción económico y otras ventajas como transparencia, color y flexibilidad mecánica. Sin embargo, su PCE es inferior a las tecnologías fotovoltaicas convencionales basadas en silicio, principalmente debido a una dinámica de separación de cargas ineficiente y a la recombinación de electrones en la interfase colorante-semiconductor.17 A pesar de esto, la eficiencia ha experimentado un notable aumento, pasando del 3 % al 14 %, gracias a esfuerzos continuos de investigación y avances en el diseño de los colorantes, electrolitos y materiales del contraelectrodo. Además, se ha logrado extender la vida operativa de las DSSCs a más de un año.<br />Con el objetivo de mejorar las prestaciones de los dispositivos se ha dedicado un amplio esfuerzo de investigación en el diseño molecular de los colorantes, especialmente en los colorantes orgánicos de tipo D¿¿¿A por su versatilidad sintética, coeficientes de absortividad elevados, bajo coste y respeto con el medio ambiente.18 La elección de un dador (D) adecuado es clave para alcanzar un compromiso entre el voltaje, la fuerza electromotriz del proceso y la respuesta espectral.19 La unidad dadora trifenilamina (TPA),20¿23 ha sido una de las más utilizadas debido a su excelente carácter electrodador y su tendencia a evitar la agregación de las moléculas. En los últimos años, después de su estudio y desarrollo en el ámbito de la óptica no lineal,24¿31 el anillo de 4H-piranilideno se ha utilizado como sistema dador en colorantes para DSSCs compitiendo con las TPAs en términos de eficiencia.32 Este anillo se caracteriza por ser un sistema proaromático capaz de ganar aromaticidad durante los procesos que implican trasferencia de carga. <br />Es común que los colorantes de este tipo tiendan a formar agregados, dando lugar a procesos de recombinación electrónica debido a su naturaleza conjugada y plana. Por esta razón, numerosos estudios se han centrado en optimizar su estructura química mediante la introducción de grupos aceptores y dadores internos. Esto ha dado lugar a una amplia variedad de configuraciones extendidas, como D¿A¿¿¿A, D¿D¿¿¿A, D¿(¿¿A)n, D ¿ D¿A, (D¿¿¿A)3L2, etc.33¿37 Estas configuraciones han sido evaluadas en DSSCs con el objetivo de modular el band gap y tratar de desplazar hacia el rojo la absorción del fotosensibilizador.<br />Los principales desafíos en la comercialización de las DSSCs son la baja eficiencia de conversión y la estabilidad de las celdas. Las investigaciones futuras deben centrarse en una comprensión más profunda de las interacciones entre el electrolito, los electrodos y los colorantes, analizando su impacto en los procesos de conversión fotoeléctrica. Además, es esencial el desarrollo de materiales alternativos para portadores de carga, con el objetivo de mejorar el rendimiento del transporte de carga, reducir las pérdidas por recombinación y potenciar la estabilidad a largo plazo. La sustitución del electrolito líquido por una opción de estado sólido o un material de transporte de carga se sugiere para prevenir fugas, volatilización del disolvente, fotodegradación y desorción del colorante, así como la corrosión del contraelectrodo. Aunque se ha logrado cierto avance mediante la introducción de complejos de coordinación de metales, su estudio aún no es comparable con los esfuerzos realizados en el desarrollo de colorantes.<br />La alta sensibilidad y eficiencia de las DSSCs en condiciones de luz artificial constituye uno de sus principales beneficios. Pueden ser también utilizadas en lugares donde la luz solar difusa predomina sobre la iluminación solar directa. La capacidad de implementar diferentes colores es otra característica atractiva para las empresas. También pueden ser empleadas como paneles delgados, coloreados y transparentes, transformando paredes convencionales, tragaluces y fachadas de vidrio en generadores de electricidad. <br />Más allá de la instalación en edificios, gracias a la reciente capacidad para fabricar celdas solares flexibles y miniaturizadas, ya es posible integrarlas en pequeños dispositivos portátiles.38,39 Este avance acelera la posibilidad de alimentar relojes inteligentes, teléfonos u ordenadores portátiles, ya que la mayoría de estos dispositivos requieren voltajes muy bajos para su correcto funcionamiento. Las últimas tendencias comerciales de los investigadores están centradas en desarrollar textiles a partir de estos materiales fotovoltaicos.<br />Celdas Solares de Perovskita (PSCs)<br />Las celdas solares híbridas (orgánico-inorgánico) de perovskita (PSCs) destacan como una tecnología altamente prometedora de tercera generación, gracias a sus propiedades optoelectrónicas y a su proceso de fabricación económico.40¿42 La eficiencia de conversión de energía (PCE) de las PSCs con una estructura convencional (tipo n-i-p) ha experimentado un notable aumento, aproximándose a la eficiencia de las celdas solares de silicio cristalino.43 A pesar de estos avances, los dispositivos tipo n-i-p presentan desafíos, como el procesamiento a alta temperatura (500 °C), así como la escasez de materiales transportadores de huecos (HTMs) adecuados que cumplan los requisitos de alta conductividad, movilidad y estabilidad térmica. Para abordar estas limitaciones, se propone una novedosa estructura de dispositivo conocida como PSCs de tipo planar invertida (iPSCs) o tipo p-i-n, 44 que ofrece múltiples ventajas sobre las convencionales: procesamiento a baja temperatura, compatibilidad con la fabricación a gran escala,45,46 reducción de la histéresis y adaptabilidad a sustratos flexibles. <br />La exploración de nuevos materiales de transporte de carga (HTMs y ETMs) se ha convertido en una de las estrategias fundamentales para mejorar la estabilidad de los dispositivos.47 Polímeros conductores como PTAA y PEDOT:PSS se han utilizado ampliamente como HTMs en p-i-n PSCs debido principalmente a la utilización de métodos de deposición más asequibles.48,49 No obstante, para obtener altos valores de PCE suele ser necesario el dopaje químico de estos polímeros,50¿52 lo que afecta directamente a la estabilidad de los dispositivos, limitando su aplicación a gran escala. Estos desafíos han impulsado el empleo de moléculas orgánicas de pequeño tamaño como HTMs, que permiten la formación de películas extremadamente delgadas (<20 nm) sin necesidad de dopaje.53,54 Dentro de los diversos núcleos moleculares utilizados,55¿59 destaca el espirobifluoreno, ya que extrae de manera más eficiente los huecos de la capa de perovskita adyacente. Su geometría de núcleo perpendicular previene las interacciones intermoleculares ¿-¿ y facilita la formación de capas amorfas homogéneas.60¿63<br />Los principales desafíos a los que se enfrentan las celdas de perovskita tienen que ver con la toxicidad de los materiales, la histéresis del dispositivo y la inestabilidad, originada por la exposición a factores químicos, térmicos, humedad atmosférica y radiación UV excesiva.64 La falta de estabilidad a largo plazo del módulo limita un funcionamiento confiable en entornos exteriores. Es necesario llegar a un acuerdo dentro de la comunidad fotovoltaica sobre la adopción de métodos estandarizados para evaluar la estabilidad, así como el desarrollo de nuevos enfoques que permitan predecir la vida útil de las celdas en condiciones operativas. Aunque una encapsulación adecuada puede mitigar la degradación causada por la humedad y el oxígeno del ambiente, es esencial dirigir los esfuerzos hacia el diseño de nuevos materiales e interfases estables.65 Por otro lado, la presencia de plomo en la perovskita también genera preocupaciones medioambientales, lo que impulsa la investigación de materiales alternativos no tóxicos.<br />
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000136049 521__ $$97082$$aPrograma de Doctorado en Química Orgánica
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000136049 692__ $$aAsegurar el acceso a energías asequibles, fiables, sostenibles y modernas para todos. Garantizar las pautas de consumo y de producción sostenibles. Tomar medidas urgentes para combatir el cambio climático y sus efectos.
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