Simulaciones de Dinámica Cuántica como herramienta para la predicción del Mecanismo de Fotoinyección en Celdas Solares Sensibilizadas por Colorantes

MA. BELÉN OVIEDO; X. ZÁRATE; C. F. A. NEGRE; E. SCHOTT; R. ARRATIA-PÉREZ; C. G. SANCHEZ

La Falda

Congreso; NanoCórdoba 2012; 2012

Actualmente el empleo de energías renovables han cobrado gran importancia debido al agotamiento de los combustibles fósiles y al daño ambiental producido por su consumo. La conversión directa de la energía solar se destaca ya que es considerada ilimitada. Las celdas solares son un elemento clave en los sistemas fotovoltaicos porque, no contribuyen a la contaminación ambiental ni al calentamiento global. Aunque, esta conversión de energía es más cara que la derivada de combustibles fósiles, una versión menos costosa son las celdas solares sensibilizadas por colorantes (DSSC), las cuales en los últimos años han sido objeto de intensa investigación por sus perspectivas futuras. Estas celdas están constituidas por un electrodo de un óxido semiconductor poroso, en general TiO2 nanocristalino, recubierto con una monocapa de un compuesto orgánico que actúa como sensibilizador. Esta monocapa, es capaz de absorber un rango amplio del espectro solar. Se ha logrado una eficiencia de conversión mayor de 10 %, a un costo inferior al de otros dispositivos fotovoltaicos de similar eficiencia. Los métodos teóricos son una poderosa herramienta para el diseño de DSSC, ya las conclusiones extraídas de los cálculos son valiosas para la síntesis de celdas solares mas eficientes. En la actualidad se han reportado numerosos trabajos que se basan en DFT, que simulan las características principales de los espectros de absorción cuando un colorante se adsorbe a diferentes semiconductores pero, debido al alto costo computacional que presenta la aplicación convencional de TD-DFT, los estudios están limitados al tamaño del sistema y se hace difícil la evaluación temporal completa del proceso. Este trabajo presenta un nuevo método capaz de captar las diferencias entre los mecanismos de fotoinyección de una manera totalmente atomística. Este método se basa en simulaciones de dinámica cuántica utilizando el Hamiltoniano de DFTB. El sistema mas grande estudiado consta de 320 átomos, esto es, una nanopartícula con 90 unidades de TiO2 funcionalizados con diferentes colorantes, tal como Ti-ftalocianina. En este trabajo mostraremos que la velocidad de inyección de electrones para el mecanismo directo presenta una dependencia lineal con el cuadrado de la intensidad del campo aplicado. Además, mostramos que la naturaleza del proceso de fotoabsorción puede ser entendido en términos de la dinámica de las poblaciones de los orbitales. En conclusión, esta herramienta permite obtener una imagen temporal completa del fenómeno de inyección de electrones a partir de la perturbación del sistema con una onda electromagnética.