Síntesis y caracterización de perovskitas híbridas y su implementación en células solares
- Autores: Alexander Zachary Davis Jodlowski
- Directores de la Tesis: Luis Camacho Delgado (dir. tes.), Gustavo De Miguel Rojas (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Córdoba (ESP) ( España ) en 2018
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Juan Ángel Anta (presid.), Alvaro Caballero Amores (secret.), Ziolek Marcin (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Química Fina por la Universidad de Córdoba
- Materias:
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- Resumen
El resumen de la tesis para la base de datos Teseo debe ser una presentación de la tesis y tener la extensión suficiente para que quede explicado el argumento de la tesis doctoral. El formato debe facilitar la lectura y comprensión del texto a los usuarios que accedan a Teseo, debiendo diferenciarse las siguientes partes de la tesis:
1. Introducción o motivación de la tesis La búsqueda de nuevas fuentes de energía y la contaminación medioambiental son uno de los principales retos a los que se enfrenta la humanidad en el siglo XXI. El constante aumento de la población mundial y el uso excesivo de fuentes de energía no renovables (carbón, petróleo, gas natural y energía nuclear) han originado que la búsqueda de fuentes de energías renovables y accesibles para la población sea una prioridad en la actualidad. Teniendo estos factores en cuenta, la energía solar es un importante candidato para remplazar a las fuentes de energías no renovables. Esta razón es más que suficiente para Las principales ventajas a destacar de esta fuente de energía son: • La energía solar es abundante. En comparación con el carbón el petróleo el gas natural etc..
• La energía del sol es gratis. A diferencia del petróleo, el gas natural y otras fuentes de energías no renovables el uso de la luz del sol es gratuito.
• La energía solar es limpia. Aunque la conversión de energía solar a energía eléctrica por medio de paneles solares se considera limpia, hay que considerar que la producción de los paneles solares si produce emisiones de CO2, pero en menor medida que los combustibles fósiles.
• Es beneficioso para los pobres. Este tipo de fuente de energía alternativa reduce la dependencia de los monopolios que controlan las fuentes de energía y tiende a beneficiar a las personas pobres, siempre que se apliquen políticas que lo permitan.
• Su aplicabilidad en regiones remotas. Los países pobres con combustibles fósiles pueden liberar su dependencia de esta energía y gastar sus fondos en otras cosas a través de la aplicación de energía solar.
Debido a todos estos factores, la inversión en i+D+i en nuevas tecnologías fotovoltaicas es fundamental para poder mantener la calidad de vida de la sociedad actual y de las futuras.
Por esto esta Tesis se enmarca en el estudio de nuevos materiales como son las perovskitas hibridas organica-inorganicas para emplearlas en células solares como alternativa a las de silicio.
2. Contenido de la investigación En la presente Tesis, se ha estudiado la síntesis, caracterización y estabilidad de perovskitas hibridas orgánico – inorgánicas utilizando el catión plomo (Pb2+) para la red inorgánica y usando distintos tipos de cationes orgánicos (guanidinio, metilamonio y formamidinio). Además, se fabricaron células solares utilizando como material activo estas perovskitas y se estudió su rendimiento fotovoltaico y estabilidad frente a condiciones ambientales en condiciones operativas. Por último, se ha realizado un trabajo bibliográfico sobre perovskitas alternativas a las tradicionales que actualmente se emplean para células solares.
o Memoria 1.- “Benign-by-Design Solventless Mechanochemical Synthesis of Three-, Two-, and One-Dimensional Hybrid Perovskites” En esta memoria se propone la mecano-síntesis como método alternativo a la preparación de perovskitas hibridas orgánico – inorgánicas. En este método no se utilizan disolventes orgánicos (DMSO, DMF) como en los métodos tradicionales de síntesis de perovskita, por esta razón se considera un método más benigno con el medio ambiente ya que no genera residuos orgánicos en el proceso de síntesis. Además, este proceso es rápido, simple y reproducible, con el añadido de poder obtenerse gran cantidad de material en polvo policristalino con alta pureza, el cual facilita considerablemente el proceso de caracterización.
Para demostrar la validez de este método propuesto se sintetizaron cuatro perovskitas distintas, MAPbI3, FAPbI3, GuaPbI3, Gua2PbI4 (MA, FA y Gua son metilamonio, formamidinio y guanidinio, respectivamente) y se caracterizaron mediante difracción de rayos X, espectroscopia de absorción UV-vis, espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) y microscopia de barrido electrónico (SEM).
De las cuatro perovskitas descritas, tres de ellas ya habían sido sintetizadas y caracterizadas previamente, pero en este trabajo se sintetizó y caracterizó por primera vez una perovskita basada en guanidinio (GuaPbI3) con una estructura cuasi-1D en forma de cadena. Este resultado es significativo en el campo de las perovskita porque introduce un nuevo método para sintetizar nuevos materiales de este tipo.
o Memoria 2.- “Large guanidinium cation mixed with methylammonium in lead iodide perovskites for 19% efficient solar cells” Las perovskitas con estructura tridimensional presentan las mejores propiedades optoelectrónicas para su implementación en células solares pero poseen una baja estabilidad a la humedad y al oxígeno. Por esta razón se ha propuesto el uso del guanidinio en mezcla con metilamonio para formar una perovskita hibrida multi-catión orgánico y se ha verificado la inserción del guanidinio dentro de la red cristalina mediante difracción de rayos X utilizando el método de Williamson - Hall (Capítulo I). Además, se ha demostrado el incremento en la eficiencia de las células solares utilizando esta mezcla de cationes y un aumento en la estabilidad en un test de estrés bajo iluminación constante (Capítulo III).
o Memoria 3.- “Alternative Perovskites for Photovoltaics” En la Memoria 3, se presentan los enfoques más recientes realizados para explorar e implementar materiales de perovskitas alternativos e innovadores en células solares. Se busca superar las principales limitaciones que tienen las perovskitas convencionales, incluida la estabilidad y la toxicidad. En esta revisión bibliográfica se recopilan estudios como la sustitución del Pb2+¬¬ por elementos del grupo 14 como el germanio eliminando el problema de la toxicidad. Además, se muestran diferentes estudios utilizando diferentes cationes como el etilamonio[1], rubidio[2], guanidinio así como perovskitas con diferentes dimensionalidades según su estequiometria y sobre todo la familia de perovskitas quasi-2D Ruddlesden – Popper[3]–[6] entre otras.
3. Conclusión En este apartado se presentan las conclusiones generales de toda la investigación realizada durante el periodo de investigación.
1. La mecanosíntesis[7], ha demostrado ser una técnica extremadamente útil en la síntesis de nuevos materiales basados en estructura de perovskita. Además, demostró ser un método simple, reproducible y eficiente, con la ventaja de poder sintetizar gran cantidad de muestra por síntesis.
2. La técnica de difracción de rayos X ha sido fundamental en todos los estudios realizados. Esta técnica ha permitido determinar la estructura de la perovskita basada en Guanidinio (GuaPbI3) por primera vez. Además, de demostrar la inserción del catión Guanidinio en la estructura 3D de la perovskita mixta Ma1-xGuaxPbI3.
3. El uso de mezcla de cationes ha resultado ser un planteamiento muy útil para insertar un catión que supera el factor de tolerancia de Goldschmidt, y de esta manera abre un campo a una gran de variedad de cationes que podrían formar perovskitas 3D.
4. Se demostró que al aumentar el uso de puentes de hidrogeno intercambiando el Metilamonio por el Guanidinio la estabilidad del material de perovskita se incrementa.
5. Se ha visto en el recopilatorio bibliográfico que existen un gran numero de alternativas a las perovskitas tradicionales debido a la gran flexibilidad estructural y los diferentes tipos de átomos que se pueden emplear.
4. Bibliografía [1] Y. Wang et al., “A mixed-cation lead iodide MA1−xEAxPbI3absorber for perovskite solar cells,” J. Energy Chem., vol. 27, no. 1, pp. 215–218, 2018.
[2] T. Matsui et al., “Effect of rubidium for thermal stability of triple-cation perovskite solar cells,” Chem. Lett., p. cl.180211, 2018.
[3] Y. Chen, Y. Sun, J. Peng, J. Tang, K. Zheng, and Z. Liang, “2D Ruddlesden–Popper Perovskites for Optoelectronics,” Adv. Mater., vol. 30, no. 2, pp. 1–15, 2018.
[4] X. Zhang et al., “Phase Transition Control for High Performance Ruddlesden–Popper Perovskite Solar Cells,” Adv. Mater., vol. 30, no. 21, pp. 1–10, 2018.
[5] C. M. Raghavan et al., “Low-Threshold Lasing from 2D Homologous Organic-Inorganic Hybrid Ruddlesden-Popper Perovskite Single Crystals,” Nano Lett., vol. 18, no. 5, pp. 3221–3228, 2018.
[6] H. Tsai et al., “High-efficiency two-dimensional ruddlesden-popper perovskite solar cells,” Nature, vol. 536, no. 7616, pp. 312–317, 2016.
[7] P. Baláž, High-Energy Milling. 2008.
