Optimización de la colocación de nanopartículas de oro en TiO₂ mejora la eficiencia de celdas solares sensibilizadas por colorante

Resumen

Fabricamos fotoánodos de TiO₂ que incorporan nanopartículas de oro (AuNP) en una arquitectura apilada controlada depositando secuencialmente pasta de TiO₂ y soluciones de AuNP en vidrio de óxido de indio y estaño (ITO). Al variar la concentración de AuNP en cada capa, exploramos cómo la distribución espacial de AuNP dentro de la matriz de TiO₂ influye en la absorción óptica y el rendimiento del dispositivo. La absorción mejorada por plasmón y la salida fotovoltaica más pronunciadas se observaron cuando una capa densa de AuNP (≈1,3 µg cm⁻²) se posicionó cerca de la profundidad de penetración de TiO₂ que coincide con la absorción máxima del colorante N719 (~520 nm). En esta configuración, la densidad de corriente de cortocircuito (Jsc) subió a 10,8 mA cm⁻² y la eficiencia de conversión energética (η) alcanzó 5,0 % —una mejora del 15 % y 11 % respecto a celdas de referencia sin AuNP. Estos hallazgos confirman que la colocación deliberada de AuNP dentro de TiO₂ es una estrategia crítica para maximizar el rendimiento de celdas DSSC.

Antecedentes

Las celdas solares sensibilizadas por colorante (DSSC) han sido reconocidas durante mucho tiempo por su fabricación escalable, de bajo costo y respeto al medio ambiente. No obstante, sus eficiencias de conversión de potencia aún quedan rezagadas frente a tecnologías de perovskita, película delgada y silicio cristalino. Los métodos tradicionales para aumentar la absorción, como engrosar la capa de TiO₂, inadvertidamente aumentan la recombinación electrónica. La nanofotónica ofrece una alternativa: las nanopartículas metálicas generan resonancias de plasmon de superficie localizadas que amplifican el campo electromagnético local y dispersan la luz, extendiendo así la trayectoria óptica dentro de la celda. Las nanopartículas de oro y plata son favorecidas porque sus resonancias plasmónicas se encuentran en el espectro visible donde la mayoría de los colorantes absorben. Aunque numerosos estudios han demostrado mejoras plasmónicas, la distribución óptima de profundidad de AuNP en el andamiaje de TiO₂ permanece inexplorada. Dado que Au y Ag son costosos, una colocación juiciosa podría reducir el uso de material mientras maximiza el rendimiento.

Materiales y métodos

Síntesis de AuNP

AuNP de 20–90 nm se sintetizaron por el protocolo Turkevich. Una solución 0,01 % p/p de HAuCl₄ se hirvió, y se añadió citrato de trisodio para nucleación. El crecimiento mediado por semillas posterior produjo partículas de 40 nm, 60 nm y 90 nm. Tras centrifugación, las AuNP se dispersaron en mezcla de disolvente 1:10 (agua:etanol) para deposición. Para partículas de 20 nm, se cultivó una cubierta de SiO₂ de 20 nm vía método Stöber para suprimir recombinación de carga.

Fabricación de fotoánodo

Vidrio ITO (resistencia superficial ≈10 Ω sq⁻¹) se limpió y recubrió con pasta de TiO₂ usando serigrafía. Cada capa (~1,1 µm de espesor) se coció a 450 °C durante 15 min. Las AuNP se depositaron por gota sobre la superficie de TiO₂ recocida y secaron al aire; el peso de AuNP en la solución se midió para controlar la densidad. Repitiendo la deposición de TiO₂ y AuNP, creamos estructuras apiladas con capas de AuNP a profundidades predeterminadas. Un recocido final a 500 °C durante 30 min consolidó las capas. La carga de colorante implicó sumergir el fotoánodo en 0,3 mM N719 (etanol) durante 20 h a 25 °C. Los contraelectrodos se prepararon depositando por gota 2 mg mL⁻¹ de precursor de Pt en vidrio TCO, seguido de recocido a 400 °C durante 30 min. Las celdas se ensamblaron con espaciador Himilan de 50 µm y se sellaron con vidrio de cubierta. El electrolito (0,05 M I₂, 0,05 M LiI, 0,6 M DMPII, 0,5 M TBP en acetonitrilo) se introdujo bajo vacío para llenar la cavidad.

Caracterización

Los espectros de absorción UV-Vis se registraron (100 mW cm⁻², AM 1.5). TEM verificó AuNP monodispersas y esféricas. SEM examinó morfología superficial. El espesor de TiO₂ se midió con un profilómetro de superficie. Curvas J-V y espectros IPCE se obtuvieron usando un sistema espectroscópico calibrado con área activa 0,05 cm².

Resultados y discusión

Efectos del tamaño de AuNP

Los espectros de absorción confirmaron el corrimiento al rojo esperado con el aumento del tamaño de AuNP, mientras que imágenes TEM verificaron monodispersidad hasta 60 nm. DSSC incorporando AuNP de 40 nm exhibieron las mayores mejoras (≈45 % aumento en Jsc) sin comprometer V_oc o FF. Partículas menores de 20 nm requirieron pasivación con SiO₂ para evitar pérdidas de V_oc, probablemente debido a recombinación en la superficie metálica.

Densidad y posición óptima de AuNP

En una película de TiO₂ de 6 µm, la densidad de AuNP por capa varió de 0 a 5,4 µg cm⁻². Jsc y η alcanzaron picos a 1,3 o 2,7 µg cm⁻²; más allá de esto, la agregación redujo beneficios plasmónicos y bloqueó luz incidente. Las mediciones de absorbancia revelaron que posicionar la capa de AuNP cerca de 4,0 µm desde la superficie ITO —coincidente con la profundidad de absorción a 520 nm de N719— maximiza la mejora del campo de luz y IPCE. Los incrementos IPCE abarcaron 350–750 nm, con pico cerca de 520 nm, reflejando directamente la mejora de absorción.

Múltiples capas de AuNP

Insertando capas de AuNP a 1,1, 2,2 y 3,3 µm (P1–P3), exploramos efectos acumulativos. La configuración con una capa de alta densidad (1,3 µg cm⁻²) en P3 y densidades menores (0,65 µg cm⁻²) en P1 y P2 entregó el mejor rendimiento: Jsc = 10,8 mA cm⁻², η = 5,0 % —ganancia del 15 % y 11 % sobre la referencia. Esto sugiere que una capa de AuNP de alta densidad debe residir en la profundidad de penetración de la absorción máxima del colorante, mientras que densidades modestas cerca del frente de la celda mitigan pérdidas por dispersión.

Conclusiones

Nuestro estudio sistemático demuestra que el posicionamiento estratégico de AuNP dentro de capas de TiO₂ —específicamente concentrándolas en la profundidad donde la luz de 520 nm es completamente absorbida— produce la mayor mejora plasmónica en DSSC. Capas de AuNP de baja densidad cerca de la superficie iluminada mejoran aún más el rendimiento al mejorar el acoplamiento de luz sin inducir recombinación significativa. Estos insights subrayan la importancia del control de distribución de nanopartículas para celdas solares sensibilizadas por colorante de alta eficiencia y costo-efectivas.