Síntesis y purificación de puntos cuánticos de carbono, para su posible aplicación en celdas solares

Abstract

El interés en los puntos cuánticos de carbono (CQD) ha ido en aumento desde su descubrimiento debido a su potencial para mejorar el rendimiento de las celdas solares. Entre las posibles aplicaciones de estos compuestos se encuentra su implementación en electrodos para celdas solares sensibilizadas que permitan el aprovechamiento de energías limpias como la solar. En este trabajo se propone estudiar la influencia de la conductividad de los CQD como sensibilizadores del TiO2 (P25) para la elaboración de fotoánodos de celdas solares. Se realizó la síntesis de CQD a partir de un tratamiento hidrotermal asistido por microondas, de cáscaras de naranja (residuo agroindustrial) empleadas como fuente de carbono, el lavado de cáscara de naranja y la purificación de CQD mediante separaciones secuenciales con membranas de flujo tangencial. La biomasa se caracterizó mediante análisis elemental (CHONS), ICP-OES, análisis de Fibras y espectroscopia FT IR. Los CQD preparados presentaron una fluorescencia verde-azul, un diámetro promedio de partícula de 2.75 ± 0.77 nm y grupos carboxilo superficiales. El semiconductor de TiO2 se impregnó con CQD y el composito resultante presentó un aumento de fotocorriente cuando fue expuesto a la luz UV y una disminución de su band gap (2.14 eV) en contraste con el electrodo de FTO (2.67 eV) y TiO2 (P25) (2.31 eV). Estos resultados son corroboran el papel de los CQD como fotosensibilizadores del TiO2. El composito CQD/TiO2 fue evaluado como fotoánodo dentro de una celda solar sensibilizada por puntos cuánticos de carbono (CQDSSC) y se probaron diversas metodologías en el ensamblado de la celda. La CQDSSC con mayor eficiencia de conversión (ƞ) fue 0.0297% (Voc = 0.458, Jsc = 0.1342, FF = 0.3701) a diferencia de los otros diseños que obtuvieron una menor eficiencia de conversión, ƞ= 0.0061 (Voc = 0.426, Jsc = 0.0409, FF = 0.3848, Rs= 2,017.56 Ω).

The interest in carbon quantum dots (CQDs) has been increasing since their discovery due to their potential to improve the performance of solar cells. Among the possible applications of these compounds is their implementation in electrodes for sensitized solar cells that allow the use of clean energies such as solar energy. In this work we propose to study the influence of the conductivity of CQDs as sensitizers of TiO2 (P25) for the elaboration of solar cell photoanodes. CQD synthesis was performed through microwave-assisted hydrothermal treatment of orange peels (agro-industrial waste) used as carbon source, orange peel washing and CQD purification by sequential separations with tangential flow membranes. The biomass was characterized by elemental analysis (CHONS), ICP-OES, Fiber analysis and FT-IR spectroscopy. The prepared CQDs exhibited blue-green fluorescence, an average particle diameter of 2.75 ± 0.77 nm and surface carboxylic groups. The TiO2 semiconductor was impregnated with CQDs, and the resulting composite presented an increased photocurrent when exposed to UV light and a decrease in its band gap (2.14 eV) in contrast to the FTO (2.67 eV) and TiO2 (P25) (2.31 eV) electrode. These results corroborate the role of CQDs as photosensitizers of TiO2. The CQD/TiO2 composite was evaluated as a photoanode within a carbon quantum dot sensitized solar cell (CQDSSC) and various methodologies were tested in the cell assembly. The CQDSSC with the highest conversion efficiency (ƞ) was 0.0297% (Voc = 0.458, Jsc = 0.1342, FF = 0.3701) as opposed to the other designs that obtained a lower conversion efficiency, ƞ= 0.0061 (Voc = 0.426, Jsc = 0.0409, FF = 0.3848, Rs= 2,017.56 Ω).