Tesis entregada a la Universidad de Chile en cumplimiento parcial de los requisitos para optar al grado de Doctor en Química. / Las celdas fotoelectroquímicas transforman la luz en electricidad, debido a un proceso redox, el cual determina el potencial eléctrico de la celda. Dentro de las posibles celdas de este tipo es encuentran las celdas solares sensibilizadas por colorantes (CSSC), las cuales son una alternativa tecnológica por su bajo costo, flexibilidad, disponibilidad de color y su potencial de utilizarlas en espacios de interior. Las CSSC están constituidas en sus extremos por vidrios conductores (ITO o FTO), sinterizado al vidrio se encuentra un oxido semiconductor (TiO2), y anclada al oxido una molécula coloreada (colorante orgánico u organometálico) responsable de la fotoexcitación. En el centro del dispositivo se encuentra la fase líquida, compuesta por electrolitos que generan una reacción redox (I-/I3-) capaz de regenerar el colorante oxidado producto de la fotoexcitación. Un problema para las CSSC, es que el tinte y el electrolito en esta celda se ven afectados negativamente a períodos largos de exposición a la luz solar, ya que, la radiación ultravioleta (UV) incidente, degrada el electrolito disminuyedo la vida útil de la celda. En este trabajo se propuso mejorar los parámetros fotovoltaicos de eficiencia de una CSSC, acoplando fósforos inorgánicos de fórmula general Ln2-xRExWO6 (Ln = Y3+, RE = Eu3+, Sm3+ y Yb3+) co-dopados con el ion Bi3+, para transformar la radiación UV en radiación en el rango del visible, y así inyectar un número mayor de fotones al tinte e impedir la degradación del electrolito. La síntesis de los fósforos inorgánicos de formula general Ln2-xRExWO6 (Ln = Y3+, RE = Eu3+, Sm3+ y Yb3+) co-dopados con el ion Bi3+, se realizó mediante reacción en estado sólido a altas temperaturas (700C a 1100C). Las fases obtenidas se caracterizaron mediante difracción de rayos-x de polvo, con el fin de verificar la formación de éstas. Se registraron los espectros de emisión y excitación de las fases obtenidas, de las cuales se analizaron los máximos de emisión y se estudió la transferencia de energía matriz-ion activador. De igual forma se caracterizó el color de la emisión en función de las coordenadas CIE1931. Se registraron las curvas de decaimiento de emisión en función del tiempo, para así estudiar los procesos de transferencia de energía presentes, con base al modelo de Inokuti-Hirayama. Con los datos obtenidos se simuló la emisión de la matriz y del ion activador y se comparó con el comportamiento experimental, además de dilucidar el tipo de desactivación radiativa que presentaba el material, resultando ser un proceso de desplazamiento descendente, el cual es un proceso de óptica lineal. Se construyeron las celdas solares sensibilizadas por colorantes con y sin fósforo inorgánico. Se estudió la eficiencia global de conversión solar a eléctrica y el índice de conversión de fotón incidente a corriente, también se estudió la relación óptima de fósforo en el fotoánodo de la celda solar y del colorante presente. En relación a la aplicación en fotoelectrodos para celdas solares sensibilizadas por colorantes se logró: - Aumentar en un 25,8% la eficiencia global de conversión solar a eléctrica. - Aumentar en un 43% la corriente producida por centímetro cuadrado. - Aumentar en todo el espectro analizado la eficiencia de conversión de fotón incidente a corriente (IPCE). Con todos los resultados obtenidos se puede asegurar que la incorporación de fósforos inorgánicos mejora el funcionamiento de la celda solar sensibilizada por colorante. / Photoelectrochemical cells transform light into electricity, owing to a redox process, which determines the electrical potential of the cell. Among the possible cells of this type, dye-sensitized solar cells (DSSC) are a technological alternative due to their low cost, flexibility, color availability and their potential use in indoor environments. The DSSC are constituted at their ends by conductive glass (ITO or FTO), and sintered on this glass is a semiconductor oxide (TiO2), and anchored to the oxide a colored molecule (organic or organometallic dye) responsible for photoexcitation. In the center of the device is located the liquid phase, which is composed of electrolytes that generate a redox reaction (I-/I3-) capable of regenerating the oxidized dye after the photoexcitation process. The main problem for the DSSC is connected to the dye and electrolyte, since they are affected negatively by long periods of exposure to the sunlight. Basically, the ultraviolet radiation (UV) degrades the electrolyte, and consequently the lifetime of the cell decreases. In this work we propose to improve the photovoltaic parameters of a DSSC, by coupling inorganic phosphors of general formula Ln2-xRExWO6 (Ln = Y3+, RE = Eu3+, Sm3+ and Yb3+) co-doped with Bi3+ ion, in order to transform UV radiation into the visible range, thus injecting a large number of photons to the dye and preventing the degradation of the electrolyte. The whole synthesis reaction to obtain the inorganic phosphors Ln2-xRExWO6 (Ln = Y3+, RE = Eu3+, Sm3+ and Yb3+) co-doped with the Bi3+ ion was carried out in solid state at high temperatures (700C to 1100C). The samples were characterized by the powder X-rays diffraction (PXRD) in order to verify the formation of our phases. The emission and excitation spectra of the phases were recorded, of which the emission maxima were analyzed and then the matrix-ion activator energy transfer was studied. The color of the emission was also characterized according to the CIE1931 coordinates. The emission decay curves were recorded so as to get insights into the energy transfer processes, based on the Inokuti-Hirayama model. The data collected was used to simulate the emission of the matrix and the activating ion. Elucidating the type of radiative deactivation that is present in the material, when compared with experiment. Our results suggest a down shifting process, which is a process of linear optics. We built dye sensitized solar cells with and without inorganic phosphors, and we studied power conversion efficiency and the incident photon-to-current efficiency (IPCE), the optimum phosphors ratio in the photoanode and dye of the solar cell. With respect to the application of photoelectrodes for DSSC, the results obtained were: - An increase of the global efficiency in 25.8%. - An increase of the current produced per square centimeter in 43%. - An increase IPCE throughout the spectrum analyzed Our results show undoubtedly that the incorporation of inorganic phosphors improves the efficiency of the dye-sensitized solar cells. / CONICYT, Beca Doctorado Nacional año académico 2013, número 21130796, pasantía en el extranjero, número 21130796, beneficio de gastos operacionales, número 21130796. FONDECYT Proyecto 1130248. “Synthesis, characterization, and optical properties of Ln2-xRExWO6 (Ln=Y3+, La3+; RE= Dy3+, Er3+, Eu3+, Sm3+ and Yb3+) down-conversion luminescent materials and their application in dye sensitized solar cells". FONDEQUIP Proyecto 130135. “Fortalecimiento de las capacidades de Investigacion en Quimica de Estado Sólido mediante la adquisición de DSC‐TG”. FONDAP Proyecto 15110019. “Solar Energy Research Center”, SERC-Chile.

Tesis entregada a la Universidad de Chile en cumplimiento parcial de los requisitos para optar al grado de Doctor en Química. / Las celdas fotoelectroquímicas transforman la luz en electricidad, debido a un proceso redox, el cual determina el potencial eléctrico de la celda. Dentro de las posibles celdas de este tipo es encuentran las celdas solares sensibilizadas por colorantes (CSSC), las cuales son una alternativa tecnológica por su bajo costo, flexibilidad, disponibilidad de color y su potencial de utilizarlas en espacios de interior. Las CSSC están constituidas en sus extremos por vidrios conductores (ITO o FTO), sinterizado al vidrio se encuentra un oxido semiconductor (TiO2), y anclada al oxido una molécula coloreada (colorante orgánico u organometálico) responsable de la fotoexcitación. En el centro del dispositivo se encuentra la fase líquida, compuesta por electrolitos que generan una reacción redox (I-/I3-) capaz de regenerar el colorante oxidado producto de la fotoexcitación. Un problema para las CSSC, es que el tinte y el electrolito en esta celda se ven afectados negativamente a períodos largos de exposición a la luz solar, ya que, la radiación ultravioleta (UV) incidente, degrada el electrolito disminuyedo la vida útil de la celda. En este trabajo se propuso mejorar los parámetros fotovoltaicos de eficiencia de una CSSC, acoplando fósforos inorgánicos de fórmula general Ln2-xRExWO6 (Ln = Y3+, RE = Eu3+, Sm3+ y Yb3+) co-dopados con el ion Bi3+, para transformar la radiación UV en radiación en el rango del visible, y así inyectar un número mayor de fotones al tinte e impedir la degradación del electrolito. La síntesis de los fósforos inorgánicos de formula general Ln2-xRExWO6 (Ln = Y3+, RE = Eu3+, Sm3+ y Yb3+) co-dopados con el ion Bi3+, se realizó mediante reacción en estado sólido a altas temperaturas (700C a 1100C). Las fases obtenidas se caracterizaron mediante difracción de rayos-x de polvo, con el fin de verificar la formación de éstas. Se registraron los espectros de emisión y excitación de las fases obtenidas, de las cuales se analizaron los máximos de emisión y se estudió la transferencia de energía matriz-ion activador. De igual forma se caracterizó el color de la emisión en función de las coordenadas CIE1931. Se registraron las curvas de decaimiento de emisión en función del tiempo, para así estudiar los procesos de transferencia de energía presentes, con base al modelo de Inokuti-Hirayama. Con los datos obtenidos se simuló la emisión de la matriz y del ion activador y se comparó con el comportamiento experimental, además de dilucidar el tipo de desactivación radiativa que presentaba el material, resultando ser un proceso de desplazamiento descendente, el cual es un proceso de óptica lineal. Se construyeron las celdas solares sensibilizadas por colorantes con y sin fósforo inorgánico. Se estudió la eficiencia global de conversión solar a eléctrica y el índice de conversión de fotón incidente a corriente, también se estudió la relación óptima de fósforo en el fotoánodo de la celda solar y del colorante presente. En relación a la aplicación en fotoelectrodos para celdas solares sensibilizadas por colorantes se logró: - Aumentar en un 25,8% la eficiencia global de conversión solar a eléctrica. - Aumentar en un 43% la corriente producida por centímetro cuadrado. - Aumentar en todo el espectro analizado la eficiencia de conversión de fotón incidente a corriente (IPCE) Con todos los resultados obtenidos se puede asegurar que la incorporación de fósforos inorgánicos mejora el funcionamiento de la celda solar sensibilizada por colorante. / Photoelectrochemical cells transform light into electricity, owing to a redox process, which determines the electrical potential of the cell. Among the possible cells of this type, dye-sensitized solar cells (DSSC) are a technological alternative due to their low cost, flexibility, color availability and their potential use in indoor environments. The DSSC are constituted at their ends by conductive glass (ITO or FTO), and sintered on this glass is a semiconductor oxide (TiO2), and anchored to the oxide a colored molecule (organic or organometallic dye) responsible for photoexcitation. In the center of the device is located the liquid phase, which is composed of electrolytes that generate a redox reaction (I-/I3-) capable of regenerating the oxidized dye after the photoexcitation process. The main problem for the DSSC is connected to the dye and electrolyte, since they are affected negatively by long periods of exposure to the sunlight. Basically, the ultraviolet radiation (UV) degrades the electrolyte, and consequently the lifetime of the cell decreases. In this work we propose to improve the photovoltaic parameters of a DSSC, by coupling inorganic phosphors of general formula Ln2-xRExWO6 (Ln = Y3+, RE = Eu3+, Sm3+ and Yb3+) co-doped with Bi3+ ion, in order to transform UV radiation into the visible range, thus injecting a large number of photons to the dye and preventing the degradation of the electrolyte. The whole synthesis reaction to obtain the inorganic phosphors Ln2-xRExWO6 (Ln = Y3+, RE = Eu3+, Sm3+ and Yb3+) co-doped with the Bi3+ ion was carried out in solid state at high temperatures (700C to 1100C). The samples were characterized by the powder X-rays diffraction (PXRD) in order to verify the formation of our phases. The emission and excitation spectra of the phases were recorded, of which the emission maxima were analyzed and then the matrix-ion activator energy transfer was studied. The color of the emission was also characterized according to the CIE1931 coordinates. The emission decay curves were recorded so as to get insights into the energy transfer processes, based on the Inokuti-Hirayama model. The data collected was used to simulate the emission of the matrix and the activating ion. Elucidating the type of radiative deactivation that is present in the material, when compared with experiment. Our results suggest a down shifting process, which is a process of linear optics. We built dye sensitized solar cells with and without inorganic phosphors, and we studied power conversion efficiency and the incident photon-to-current efficiency (IPCE), the optimum phosphors ratio in the photoanode and dye of the solar cell. With respect to the application of photoelectrodes for DSSC, the results obtained were: - An increase of the global efficiency in 25.8%. - An increase of the current produced per square centimeter in 43%. - An increase IPCE throughout the spectrum analyzed Our results show undoubtedly that the incorporation of inorganic phosphors improves the efficiency of the dye-sensitized solar cells. / CONICYT, Beca Doctorado Nacional año académico 2013, número 21130796, beneficio de pasantía en el extranjero, número 21130796, beneficio de gastos operacionales, número 21130796. FONDECYT Proyecto 1130248. “Synthesis, characterization, and optical properties of Ln2-xRExWO6 (Ln=Y3+, La3+; RE= Dy3+, Er3+, Eu3+, Sm3+ and Yb3+) down-conversion luminescent materials and their application in dye sensitized solar cells". FONDEQUIP Proyecto 130135. “Fortalecimiento de las capacidades de Investigación en Química de Estado Sólido mediante la adquisición de DSC‐TG”. FONDAP Proyecto 15110019. “Solar Energy Research Center”, SERC-Chile.

En este trabajo se muestra el estudio realizado sobre materiales que serán utilizados en el diseño de una celda solar para su aplicación en el ciclo de producción de hidrógeno, también en este contexto se han estudiado compuestos capaces de almacenar el hidrógeno producido, de manera de cerrar el círculo propuesto de generación y almacenamiento de hidrógeno. En la primera etapa, se realizó el estudio de materiales semiconductores mediante primeros principios, con esta herramienta se estudiaron las propiedades electrónicas de los sistemas M:TiO<SUB>2</SUB> (donde M: metales de transición 3d). En la segunda etapa, se llevó a cabo la modelización de una celda solar multijuntura, empleando los materiales obtenidos en la primera etapa. Mediante el diseño propuesto de la estructura de la celda solar se logró una eficiencia del 10% para la producción del hidrógeno. Finalmente, en la tercera y última etapa, una vez obtenido el hidrógeno, se realizaron estudios para determinar cuáles serían los materiales más viables para retener y liberar el H. Con esta finalidad, se estudiaron series de hidruros binarios y ternarios, con diferentes estructuras cristalinas, para determinar que compuesto presenta una mejor perspectiva para el almacenamiento de H.

El presente trabajo de tesis tiene como objetivo principal proponer un diseño de planta para el ensamblaje de paneles solares fotovoltaicos en el Perú. A través de herramientas de Ingeniería Industrial, se busca analizar las operaciones involucradas para este diseño, con el fin de evaluar su factibilidad económica. En el primer capítulo se comparó y contrastó casos de diseño de plantas de ensamblaje para tomar como referencia la metodología utilizada por dos autores. En el segundo capítulo, se evaluó las características de los paneles solares y las diferentes tecnologías que existen en el mercado, siendo las celdas solares monocristalinas, la tecnología escogida. Posteriormente, en el tercer capítulo, se evaluó los componentes y materiales requeridos para la fabricación y ensamble de un panel solar. En el cuarto capítulo se realizó un análisis de las operaciones y máquinas necesarias para el diseño de planta. De esta forma, en el quinto capítulo, se propuso un diseño de planta, se escogió un tipo de distribución por producto y el área total del diseño resultó igual a 7,425 m2. En el sexto capítulo, a través de métodos de macro y micro localización de planta, se obtuvo como localización ideal la ciudad de Sicuani, Cusco, Perú. Finalmente, en el séptimo capítulo, se evaluó los ingresos y egresos de la operación de la planta en un periodo de 5 años. La viabilidad económica se analizó con indicadores económicos como el VAN y TIR, obteniéndose un VAN igual a S/ 559,237.91 para el escenario probable y un TIR igual a 27%, siendo superior al WACC de 20%. Los resultados obtenidos con la presenta investigación se resumen en la factibilidad económica de la propuesta de diseño de una planta para el ensamblaje de paneles solares fotovoltaicos al cabo de 5 años de operación. Siendo sus indicadores económicos positivos para cualquiera de los 3 escenarios posibles.

En esta tesis se centra en el estudio de capas delgadas basadas en óxido de zinc (ZnO) para aplicaciones fotovoltaicas, en concreto células solares sensibilizadas con colorante (DSSC). Se optimizaron los parámetros de crecimiento de estas nanoestructuras hibridas depositadas mediante la técnica de electrodeposición catódica para posteriormente desarrollar un dispositivo eficiente para la conversión de la luz. OBJETIVOS Los objetivos principales de la tesis son: - Establecer las condiciones de crecimiento de las películas híbridas de ZnO/colorante mediante su estudio morfológico, estructural, óptico y eléctrico. - Verificar la incorporación de diferentes colorantes como Eosin-Y, Fthalociania de cobre (Ts-CuPc) y N719 en la estructura del ZnO. - Implementación de una celda DSCC basada en estas películas híbridas para la conversión de la energía mediante el cálculo de eficiencia. ELEMENTOS DE LA METODOLOGÍA La técnica de depósito utilizada para la obtención de estos materiales híbridos es la electrodeposición catódica. Para el estudio y la optimización de estas películas se utilizaron diferentes técnicas de caracterización física mediante SEM, AFM, XRD, transmitancia, fotocorriente, etc. Y finalmente, estas películas se integraron en dispositivos DSSC. RESULTADOS LOGRADOS Los resultados obtenidos fueron los siguientes: - Optimización y caracterización del crecimiento de la película delgada de ZnO. Se observo que la estructura hexagonal del ZnO es modificable y altamente dependiente de la concentración tanto de los precursores como del disolvente en la disolución. Las películas con mejores propiedades cristalinas se obtuvieron a una temperatura de depósito de 80°C y a un potencial de -0,9 V. - Optimización y caracterización del crecimiento de películas delgadas de ZnO/híbridas usando distintos colorantes: Eosin-Y, Ts-CuPc y N719. Las propiedades eléctricas y físicas se pueden modificar variando las concentraciones de los colorantes. En el caso del / Moya Forero, MM. (2012). PREPARACIÓN ELECTROQUÍMICA DE CAPAS NANOESTRUCTURADAS DE ZnO PARA APLICACIONES FOTOVOLTAICA [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/17322

Hydrogenated Aluminum Oxynitride (AlNxOy:H) is a versatile material for the surface passivation of crystalline silicon (c-Si). The capability of having positive or negative fixed charges makes AlNxOy:H a suitable material for surface passivation of both n-type and p-type c-Si. Terbium (Tb) implemented in thin films is known for its potential for downshifting light. This work studies the electronic properties of the Tb-doped AlNxOy:H/cSi(p) interface. The studied samples’ layers were deposited by reactive direct current (DC) sputtering with different hydrogen flows and then annealed. Due to high leakage currents and high defect densities, the electronic properties of the Tb-doped AlNxOy:H layers could not be analyzed conclusively using standard techniques such as high-frequency capacitance-voltage (HF-CV) or quasi-steady-state photoconductance (QSSPC) measurements, respectively. As an alternative, the non-contact Surface Photovoltage (SPV) characterization technique enabled a profound investigation of the electronic features of the Tb-doped AlNxOy:H/c-Si (p) interface. Both modulated SPV and transient SPV measurements are performed. The capabilities of the SPV measurements make this technique unique and very effective in observing and measuring critical passivation properties of the Tb-doped AlNxOy:H samples. Particularly the transient SPV of the Tb-doped AlNxOy:H samples enabled the observation of different optical transitions (band to band, band to defect, defect to band) and carrier transport mechanisms between the Si surface and the Tb-doped AlNxOy:H. The changes in relaxation times among Tb-doped AlNxOy:H samples are noticeable due to spatial separation among defects (tunneling). This study uses complementary measurements like X-ray reflectometry (XRR), Photoluminescence (PL) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) to obtain valuable information about the AlNxOy:H layer and the AlNxOy:H/c-Si(p) interface that validates the SPV results and observations. In the c-Si, through SPV, we observed strong accumulation with passivation of boron acceptors and the generation of defects near the interface. When the hydrogen flow was increased, the net negative charge in the Tbdoped AlNxOy:H layer decreased, and the surface photovoltage signals associated with defects increased. Transients SPV at higher hydrogen flows decayed faster, and hopping transport via an exponential distribution of trap states in energy replaced trap-limited relaxation of charge carriers separated in space. The particular conditions that these AlNxOy:H samples have, make transient SPV spectroscopy a unique and reliable technique to observe the electronic properties of the AlNxOy:H/c-Si(p) interface. / El oxinitruro de aluminio hidrogenado (AlNxOy:H) es un material versátil para la pasivación superficial del silicio cristalino (c-Si). La capacidad de tener cargas fijas positivas o negativas hace del AlNxOy:H un material adecuado para la pasivación superficial de c-Si tanto de tipo n como de tipo p. El terbio (Tb) implementado en láminas delgadas es conocido por su potencial para desviar la luz hacia abajo. En este trabajo se estudian las propiedades electrónicas de la interfase (AlNxOy:H)/c-Si (p) dopada con Tb. Las capas de las muestras estudiadas fueron depositadas mediante sputtering reactivo DC con diferentes flujos de hidrógeno y posteriormente recocidas. Debido a las elevadas corrientes de fuga y a las altas densidades de defectos, las propiedades electrónicas de las capas de AlNxOy:H dopadas con Tb no pudieron analizarse de forma concluyente utilizando técnicas estándar como las medidas de capacitanciavoltaje de alta frecuencia (HF-CV) o de fotoconductancia en estado cuasi estable (QSSPC), respectivamente. Como alternativa, la técnica de caracterización de fotovoltaje superficial (SPV) sin contacto permitió investigar en profundidad las características electrónicas de la interfaz AlNxOy:H/c-Si (p) dopada con Tb. Se realizan tanto medidas de SPV modulado como de SPV transitorio. Las capacidades de las medidas de SPV hacen que esta técnica sea única y muy eficaz para observar y medir las propiedades críticas de pasivación de las muestras de AlNxOy:H dopadas con Tb. En particular, la SPV transitoria de las muestras de AlNxOy:H dopadas con Tb permitió observar diferentes transiciones ópticas (banda a banda, banda a defecto, defecto a banda) y mecanismos de transporte de portadores entre la superficie de Si y el AlNxOy:H dopado con Tb. Los cambios en los tiempos de relajación entre las muestras de AlNxOy:H dopadas con Tb son apreciables debido a la separación espacial entre defectos (tunelización). Este estudio utiliza medidas complementarias como XRR, PL y FTIR para obtener información valiosa sobre la capa de AlNxOy:H y la interfase AlNxOy:H/c-Si (p) que valida los resultados y observaciones del SPV. En el c-Si, mediante SPV, observamos una fuerte acumulación con pasivación de aceptores de boro y la generación de defectos cerca de la interfaz. Al aumentar los flujos de hidrógeno, disminuyó la carga negativa neta en la capa de AlNxOy:H dopada con Tb, y aumentaron las señales de fotovoltaje superficial asociadas a los defectos. Los transitorios SPV a mayores flujos de hidrógeno decaían más rápidamente, y el transporte por saltos a través de una distribución exponencial de estados trampa en energía sustituía a la relajación limitada por trampas de portadores de carga separados en el espacio. Las condiciones particulares que presentan estas muestras de AlNxOy:H hacen de la espectroscopia SPV transitoria una técnica única y fiable para observar las propiedades electrónicas de la interfase AlNxOy:H/c-Si(p).