Óxido de grafeno y óxido de grafeno reducido para su aplicación en celdas solares fotovoltaicas

• Autores: Dulce Kristal Becerra Paniagua
• Directores de la Tesis: Hailin Hu (dir. tes.), Merida Sotelo Lerma (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Nacional Autónoma de México ( México ) en 2020
• Idioma: español
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en:  ru.dgb.unam.mx  tesiunamdocumentos.dgb.unam.mx (html) 
• Resumen

  • Actualmente se cuenta con una amplia variedad de materiales semiconductores paradesarrollar dispositivos fotovoltaicos. Sin embargo, con el fin de reducirlos costos deestos y los efectos en la contaminación ambiental global, se busca que dichos materialessean lo más económicos posibles y amigables con el ambiente. Una alternativa, es el uso demateriales derivadosde grafeno,como el óxido de grafeno (GO, un grafeno oxidado de una o varias capas) y el óxido de grafeno reducido (rGO),que se han investigado recientementeen celdas solares de perovskita (PSCs) para reemplazar y/o mejorar semiconductoresexistentes, debido a sus excelentes propiedadesoptoelectrónicas y facilidad de producción a gran escala. La viabilidadde obtención de materiales derivadosde grafenoha desarrollado una extensa variedadde métodos de preparación, sin embargo, las PSCscon mayor eficienciay estabilidadse han obtenidoa través de la reducción del GOa temperaturas elevadasyuso de precursores tóxicos. Por otra parte, la naturaleza del proceso de oxidación de grafito mediante los métodos convencionales de Hummers y Tour produce un GO entiempos prolongados de reacción.Considerandolas grandes ventajas de estos métodosen cuanto a la facilidad depreparación, una modificación en el procedimiento de estos reduciría en gran medida el tiempo de produccióny crearía un ambiente más ecológico.La posibilidad de fabricarmateriales derivadosde grafeno con laspropiedades aptas para sustituiry optimizarmateriales convencionalesen una celda solar de perovskita mediante un método de preparación másfactible y que utilice precursoresmenos agresivos para la salud y el ambientees el motivo del presente trabajo de investigación. Para ello, se realizó un estudio comparativo de síntesis de óxidos de grafeno (GOs)preparados por cuatro métodos diferentes.El primer método se llama “método ecológico”(GO-1), que consiste en un método Hummers mejorado sin NaNO3. El segundo (GO-2) fue preparado igual que GO-1 adicionandoNaNO3, conocido como “método Hummers modificado”.El tercero (GO-3) es una de nuestrasaportaciones, una variación delmétodo de Touroriginal, que trata el grafito con KMnO4y una mezcla de H2SO4/H3PO4. En este método, usamos un agente protector diferente, H3BO3, en lugar del H3PO4comúnmente utilizado en el método original. Con el método GO-3, pudimos reducir significativamente el tiempo de oxidación del grafito al aumentar significativamente la cantidad de KMnO4. Finalmente, el cuarto método es una combinación de GO-2 y GO-3, denominado “método mixto” (GO-4). Se encuentra que el “método Tour modificado”(GO-3)el grafito natural poseeun alto grado de oxidación y se convierte en GO con un espacio entre capas de ~9.0 Å y una relación carbono/oxígeno de aproximadamente 1.6.El nuevo agente protector produce una buena exfoliaciónde hojasde GO con planos basales de grafeno más intactos que los otros tres (GO-1, GO-2 y GO-4). Posteriormente, se estudió el efecto del contenido de oxígeno en productos de rGO sobre su dispersión en poli (3-hexiltiofeno) (P3HT) y las propiedades eléctricas de los compositos P3HT-rGO.Para ello, los GOsse prepararon connuestro método Tour modificado, variando la cantidad de KMnO4para controlar el contenido de especies de oxígeno. Cada producto GO se redujo con la misma cantidad de ácido ascórbico, para obtener el rGO correspondiente.Encontramos que un bajocontenido de especies carboxilos (–COOH) en un producto rGO mejorasu dispersión en la matriz P3HT hidrófoba.Al mismo tiempo, el productorGO más reducido y conductor (rGO-4) proviene de un GO con la concentración más baja de contenido de oxígeno. El composito más homogéneo (P3HT-rGO-4)muestra un umbral de percolación bajo de alrededor del 20% en peso. La conductividad eléctrica del compositoes cercana a 10-1S/m, dos órdenes de magnitud más grande que el P3HT; por lo que el valor es óptimo para continuar con la investigación en la sustitución del spiro-OMeTAD usado comúnmente en PSCs como material transportadorde huecos (HTM) por un compositodeP3HT:rGO. Finalmente, analizamos el efecto del óxido de grafeno (GO) y óxido de grafeno reducido (rGO) sobre el rendimiento y la estabilidad a largo plazo de las celdas solares de perovskita (PSC).Evaluamos (1) la incorporación de rGO en la capa de transporte de electrones (ETL) mesoporosa de TiO2para la formación de un composito de mTiO2+rGO, (2) la incorporaciónde GOs y rGOs como capa intermedia en lainterfaz de laperovskita y la capa de transporte de huecos (HTL) en celdas solares de perovskita de 2-pasos y 1-paso respectivamente, y, por último, (3) la aplicación del P3HT y composito P3HT-rGO-4 como HTM en celdas solares de perovskita de 1-paso. El contenido de oxígeno en los productos de grafeno se vio reflejado en el grado dispersión, homogeneidad de las capas, estabilidad de la PSCs y por lo tanto el efecto en el rendimiento de las PSC.