Estructura, propiedades, modelado y funcionalidad de semiconductores de óxido de titanio y titanatos modificados para aplicaciones en celdas solares

Abstract

En la presente tesis se realiza el estudio de diferentes modificaciones sobre titanatos laminares nanoestructurados, con alta relación de aspecto, obtenidas mayoritariamente por métodos hidrotermales. El objetivo de las modificaciones antes mencionadas es intentar lograr la correcta ingeniería de las propiedades físicas de los mismo apuntando a aplicaciones en energía solar. Se presenta la preparación de los nanomateriales, su caracterización estructural y morfológica. Además, se evalúan las propiedades eléctricas, ópticas, optoelectrónicas, y se realizan los primeros ensayos en dispositivos fotovoltaicos. En paralelo, se desarrollan cálculos de primeros principios para obtener modelos que permitan establecer vínculos estructura-propiedad, de forma de ayudar a entender los procesos básicos que ocurren en el material y guiar eventualmente el diseño racional de los mismos. Para la caracterización estructural se emplearon las técnicas de DRX, EXAFS y espectroscopía Raman. La morfología de los materiales fue evaluada mediante: SAXS, TEM y AFM. Las propiedades eléctricas fueron evaluadas por medio de espectroscopía de impedancia y las propiedades ópticas fueron estudiadas por técnicas de reflectancia difusa. Se emplearon también, espectroscopías IMVS e IMPS y curvas IV para el estudio de los prototipos de dispositivos fotovoltaicos. En particular, se estudió la estructura y morfología de nanotubos de titanato de sodio (NaNT) proponiéndose un modelo estructural satisfactorio que permitiera explicar los complejos patrones de difracción y el espectro EXAFS. El modelo consiste en un dititanato Na2Ti2O5.H2O caracterizado por la presencia de pirámides de base cuadrada [TiO5].Una vez caracterizado completamente el sistema NaNT se procedió a estudiar modificaciones sobre los mismos con la intención de entender y manipular sus propiedades físicas, buscando el mejor aprovechamiento del espectro visible y la mejora en el transporte eléctrico. También, se buscó ensayar el desempeño fotovoltaico en celdas del tipo DSSC y QDSSC que utilizan como capa activa los semiconductores estudiados a lo largo de esta tesis. A modo de resumen, las principales modificaciones ensayadas fueron: el dopado de nanotubos NaNT con metales de transición Fe, Cu y Ni, el decorado con puntos cuánticos CIS y puntos cuánticos NS-GQD, el intercambio iónico del catión presente en el espacio interlaminar del NaNT por Li+ , así como ensayos preliminares de exfoliación sonoquímica asistida por surfactantes de los nanotubos NaNT. En términos generales, se puede mencionar que se logró obtener sistemas que mejoran la conductividad eléctrica y el aprovechamiento de la radiación solar incidente en comparación con el sistema NaNT prístino, y en casi todos los casos se logró generar modelos DFT que ayudaran a comprender las nuevas propiedades. Por último, en esta tesis se estudió a nivel teórico un sistema de titanato ultra miniaturizados formado por una cadena de poliedros [TiO5]. Este sistema resulta un modelo básico de utilidad para entender sistemas más complejos basados en este tipo de poliedros, como lo son los estudiados en esta tesis.