Estudios-de-los-efectos-fotovoltaico-y-fotoconductivo-en-una-celda-tipo-gratzel-con-matriz-de-dioxido-de-titanio-tio2-nanoestructurado

Vista previa del material en texto

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO 
POSGRADO EN CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES 
INSTITUTO DE INVESTIGACIONES EN MATERIALES 
 
“ESTUDIO DE LOS EFECTOS FOTOVOLTAICO Y 
FOTOCONDUCTIVO EN UNA CELDA TIPO GRATZEL CON 
MATRIZ DE DIÓXIDO DE TITANIO (TiO2) 
NANOESTRUCTURADO.” 
 
T E S I S 
QUE PARA OPTAR POR EL GRADO DE: 
MAESTRO EN CIENCIA E INGENIERIA DE MATERIALES 
P R E S E N T A 
FÍS.KARLA ARLEN ORTIZ SOTO 
T U T O R 
DR. ALFREDO FRANCO PERÉZ 
POSGRADO EN CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES 
COMITÉ TUTOR 
DRA. MONSERRAT BIZARRO ZORDO 
INSTITUTO DE INVESTIGACIONES EN MATERIALES 
DR. EDGARD ÁLVAREZ ZAUCO 
FACULTAD DE CIENCIAS 
 
MÉXICO, D.F. JULIO DE 2014 
 
 
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
Tesis Digitales 
Restricciones de uso 
 
DERECHOS RESERVADOS © 
PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL 
 
Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal 
del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). 
El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea 
objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para 
fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo 
mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, 
reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el 
respectivo titular de los Derechos de Autor. 
 
 
 
 
Dedicado a: 
Mami eres una mujer brillante, luchadora e inteligente estaré agradecida con la vida siempre por 
tenerte como mamá. Te doy las gracias por apoyarme siempre y por nunca dejarme rendir en las 
situaciones difíciles que se han presentado en mi vida. Si volviera a nacer te elegiría como mama 
sin pensarlo, ya que sembrar una flor contigo es crear un bello jardín para toda una vida, te amo 
mamita. 
Papi te agradezco tu apoyo constante, me encanta la forma en que siempre dices que todo se 
puede y solo es cuestión de querer, gracias por cada desayuno preparado, por cada abrazo que si 
dudar buscas brindarme, por escucharme y por ser el papá más feminista del mundo. Gracias por 
ser mi papa y siempre mostrarme lo mejor de ti. 
Sofía a ti empiezo dándote las gracias porque has caminado junto a mí en este arduo proceso, 
agradezco tus porras y tu tolerancia infinita. Eres una niña hermosa e inteligente a la que admiro y 
quiero con todo el corazón. Me has enseñado que la vida puede tener infinitos matices y que 
siempre debemos sonreír, o en todo caso cuando la vida te derrota, hay que nadar, nadar … jojojo. 
Desde luego este trabo está dedicado a mi asesor Alfredo ya que hace más de dos años se 
propuso un reto de trabajar conmigo y formarme. Gracias por que nunca dejaste que saliera 
corriendo cuando las cosas de ponían turbias y sentía que ya no podía más, por siempre buscar las 
mejores palabras para que lograra entender el concepto más complejo y hacerlo entendible, por 
tu tiempo, por todo tu apoyo, por tu paciencia que me has brindado y por tu amistad. Eres un ser 
humano extraordinario y sin pensarlo dos veces siempre te elegiría como maestro yoda. Y 
recuerda que al momento de ganar una alumna, ganaste una amiga. 
Existen tres personas que definitivamente llegaron en los momentos que más necesite e 
implicaron grandes cambios en mi vida para bien. A los tres les agradezco su amistad y su apoyo. 
Hace ya 15 años te conozco, eres única mujer, toda la vida te llevo en mi corazón, sin ti 
simplemente estaría perdida desde ya hace varios años. Eres todo un ejemplo de vida, gracias por 
dejarme crecer junto a ti y ensenarme a ser mejor persona desde el día en que te conocí en los 
salones del edificio A ENP #5, tu más que una amiga eres una hermana para mi te quiero mucho 
fabi. 
No sé si son cinco, seis, siete años más o menos pero cuando uno conoce a una persona brillante, 
aguerrida y con un corazón enorme aunque no lo crea y te dan la oportunidad de ser su amiga 
debes de aprovechar y aprender lo mejor de ella. Ginita definitivamente el que termine con éxito 
este proceso me lleva a darte las gracias, siempre a tu manera has tratado de empujarme a ser 
mejor y eso solo lo hacen los amigos. Gracias por ser siempre tu conmigo y recuerda que por más 
adversidades que se presenten mi amistad estará ahí. 
 
Caramba y tú no eres la excepción desde el día que nuestras vidas se cruzaron tuve días soleados y 
días lluviosos, claro que en número los soleados fueron más pero en lo lluviosos aprendí a 
conocerte. Le encontré significado y sentido a las palabras amar, brincar, llorar, disfrutar, gritar, 
enojar y una infinidad de sentimientos que aún se encuentran despiertos en mí. Amigo eterno mi 
Marioni, lo logre! Termine! Gracias por estar hasta hoy. 
A mí Tío Dus, gracias por estar siempre, y por creer en lo que hago. 
Por ultimo a mis niños que nunca olvido porque quiero que su vida siempre este llena de sueños y 
que trabajen y luchen para conquistarlos: Jos, Asch, Domi, jime, Luis y Lilos. 
 
Agradecimientos 
Quiero agradecer a dos amigas que conocí durante mi paso por la maestría y me permitieron 
conocerlas y aprender de ellas, por el apoyo que sin pedir me brindaron en determinados 
momentos, Abril y Roció muchas gracias! 
A mi comité tutor, porque que aunque tuve fuertes caídas nuca titubearon en apoyarme: 
Monserrat eres un ejemplo de mujer y profesionistas gracias! 
Edgar gracias por tus palabras fuertes y de apoyo, es divertido conocerte como trabajar contigo 
espero que así sea por un buen rato. 
 
Al Dr. Eduardo Andrade por compartirme su experiencia y porque usted me enseñó a nunca dejar 
de aprender cosas nuevas. 
Al Dr. Ariel Valladares, por hacer de la clase a la que más le tenía temor, la convirtió en algo 
divertido. Gracias por enseñarme algo más que un simple o difícil concepto. 
Al Dr. José Reyes por su brillante clase de microscopia electrónica y enseñarme a ver lo detalles 
más pequeños que la vida te puede dar. 
A mi comité tutor por su disposición para revisar y enriquecer mi trabajo: 
Dr. Eduardo Andrade Ibarra 
Dra. Elena Golovataya Dzhymbeeva 
Dra.Marina Elizabeth Rincón González 
Dr. Federico González García 
 
A Esther por su apoyo durante los trámites de la maestría y el apoyo en este proceso de término, 
por tu disposición gracias! 
 
 
 
 
Agradecimientos Técnicos 
Este trabajo no se hubiese concretado sin la el apoyo de las siguientes personas: 
Al Dr. Jorge Alfonso García Maceo, por el apoyo que me otorgó permitiéndome trabajar en el 
Laboratorio de Fotonica I y II del IF-UNAM. 
 
A Carlos Raúl Magaña Zavala y a la M. en C. Jaqueline Rafaela Dolores Cañetas Ortega por lasmicrografías tomadas por MEB (Laboratorio Central de Microscopía (LCM) del IFUNAM). 
 
A Antonio Morales por las mediciones de DRX (LAREC UNAM). 
 
A CONACyT por la beca de maestría N° 342132. 
 
A la Ma.C e I. Gina Prado Prone por su asesoría en la parte de la síntesis. 
 
 
1 
 
índice 1 
Abreviatura y Nomenclatura 2 
Hipótesis y Objetivo del Trabajo 3 
Resumen de los capítulos de la tesis 5 
Antecedentes 6 
Capítulo 1. Marco teórico 8 
1 Celdas solares 8 
1.1 Celdas Solares Fotovoltaicas 8 
1.2 Celdas Solares Sensibilizadas con Colorantes (DSSC) 10 
1.2.1 Dióxido de Titanio TiO2 12 
1.2.2 Sensibilizadores 12 
1.2.3 Electrolito (𝑰𝟑−/𝑰−) 13 
1.3 Parámetros fotoconductivos y fotovoltaicos en las DSSC 14 
1.3.1 Eficiencia de conversión de fotones incidentes a corriente (𝑰𝑷𝑶𝑬) 14 
1.3.2 Tiempo de vida de los portadores de carga (𝝉) 14 
1.3.3 Eficiencia cuántica para generar un portador de carga libre (ɸ) 15 
1.3.4 Movilidad de los portadores de carga en la DSSC (𝝁) 15 
1.4 Curvas de caracterización para el estudio del funcionamiento de una DSSC 15 
1.4.1 Voltaje a circuito abierto vs Intensidad de iluminación 15 
1.4.2 Densidad de corriente (𝑱) vs Voltaje (𝑽) 16 
1.4.3 Densidad de corriente en corto circuito (𝑱𝑺𝑶) vs Voltaje circuito abierto (𝑽𝑶𝑶) 16 
1.4.4 Factor de llenado (𝑭𝑭) 16 
1.4.5 Eficiencia de la DSSC 16 
1.5 Método de síntesis y técnica de depósito de películas de TiO2 17 
1.5.1 Método Sol – Gel 18 
1.5.2 Surfactantes 18 
1.5.3 Técnica Spin - Coating 19 
1.6 Técnicas de caracterización 21 
1.6.1 Técnica de Difracción de rayos X (DRX) 22 
1.6.2 Espectroscopia de Absorción UV-Visible 24 
1.6.3 Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) 26 
Capítulo 2. Síntesis y Metodología Experimental 28 
2.1 Síntesis de los materiales del Fotoánodo y Contraelectrodo de la DSSC 28 
2.2 Preparación de dióxido de titanio (TiO2 ) (película de nanopartículas P25) 30 
2.3 Obtención del Colorante Sensibilizador (Antocianina) 31 
2.4 Preparación de la Solución Electrolítica 31 
2.5 Ensamble de la DSSC 32 
2.6 Procedimientos y dispositivos experimentales para la determinación de los 32 
 Parámetros fotovoltaicos y fotoconductivos de las DSSC 
Capítulo 3. Resultados y Análisis 36 
3.1 Difracción de Rayos X (DRX) 36 
3.2 Microscopia Electrónica de Barrido (MEB) 38 
3.3 Espectroscopia de Absorción óptica (AO) 42 
1.4 Análisis de las respuestas fotovoltaica y fotoconductiva de las tres DSSC 43 
 (Estudiadas). 
Conclusiones 53 
Apéndice 55 
Referencias 59 
2 
 
Abreviaturas 
DSSC Celda Solar Sensibilizada con Colorante 
BC Banda de conducción 
BV Banda de Valencia 
NF Nivel de Fermi 
EF Energía de Fermi 
𝐸𝑔 P Brecha de energía (Band Gap) 
V OC Voltaje en circuito Abierto 
FF Factor de llenado 
η Eficiencia 
I Intensidad de iluminación 
𝐽𝑆𝑂 Densidad de corriente en corto circuito 
𝑉𝑂𝑃 Voltaje a circuito abierto 
DRX Difracción de Rayos X 
AO Absorción Óptica 
MEB Microscopia Electrónica de Barrido 
𝑖 Corriente 
𝑉 Voltaje 
Nomenclatura 
TiO2 Dióxido de Titanio 
𝐼−/𝐼3− Electrolito (Yodo/Triyodo) 
CTAB Cetil Trimetil Amonio de Bromo 
 
 
 
 
3 
 
Hipótesis y Objetivo del Trabajo 
Una característica común de todas las celdas solares convencionales elaboradas a partir de la 
unión de semiconductores cristalinos, es el alto costo de la materia prima, debido a los procesos 
de síntesis en la obtención de los materiales que las componen. 
Una propuesta alternativa para que la producción de celdas solares fuese costeable, la planteo 
M. Gratzel en 1991, al desarrollar celdas fotoelectroquímicas o DSSC (Celdas Solares Sensibilizadas 
con Colorantes, por sus siglas en inglés) para la conversión de energía solar en energía eléctrica, 
inspiradas en la fotosíntesis, que es el proceso primario de recuperación de energía en la 
naturaleza. 
Las celdas DSSC forman parte de la última generación de celdas solares. A lo largo de los últimos 
años estas celdas han sido estudiadas a nivel de investigación, y una constante en la elaboración 
de estas celdas, es la película formada por nano partículas de TiO2 , que al ser depositada sobre 
un sustrato conductor transparente (como el ITO), obteniendo así el foto-ánodo de la DSSC. 
Es en el diseño de el foto-ánodo de la DSSC donde la investigación del presente trabajo realiza la 
aportación al desarrollo de estos dispositivos. Incorporando una película nanoestructurada de 
TiO2 (Figura 1), la síntesis del material es realizada mediante el método sol-gel y los mesoporos o 
nanoestructuras se inducen mediante la autoorganización del surfactante CetilTrimetilAmonio de 
Bromo (CTAB). Hong Lin et. al. [20] reportan que las películas hechas de nanopartículas de TiO2 
suelen presentar defectos, al no encontrarse completamente en contacto entre ellas, por lo que 
estos defectos pueden actuar como trampas de los portadores de carga, dificultando su 
transporte. Hong Lin et. al. [20] proponen solventar este problema mediante el uso de 
nanoestructuras ordenadas periódicamente, cuyo objetivo es proporcionar un medio ordenado 
que permita la movilidad eficiente de los portadores de carga. A su vez, contar con la presencia de 
un alta área superficial específica en la película mesoporosa adicional permite la impregnación 
adecuada del colorante y así, ante la exposición a la luz se obtenga una mejoría en la eficiencia de 
conversión. 
 
 
 
 
 
 
Figura1. Esquema del foto-ánodo que compone una DSSC, donde se indica la incorporación de la película mesoporosa 
de TiO2 hecha mediante proceso Sol-Gel. 
 
FOTOÁNODO 
Sustrato 
conductor 
transparente 
ITO 
Película Mesoporosa de TiO2, 
elaborada mediante sol - gel 
Película de nano 
partículas de TiO2 
Colorante 
4 
 
El objetivo de este trabajo es el estudio del efecto de esta película mesoporosa en la DSSC , ya 
que se espera que mediante su incorporación tendrá una mayor área de contacto entre los 
colorantes y las películas formadas por nanopartículas de TiO2 y que proporcionará caminos 
directos para que los electrones sean transportados a través de la banda de conducción del TiO2 y 
esto a su vez sirva para optimizar el funcionamiento del dispositivo, al evitar la recombinación la 
recombinación prematura de los electrones. Estas películas redireccionan a los electrones que se 
desplazan a través de la banda de conducción de las nanopartículas de TiO2 , para que se logre con 
éxito el transporte de carga hacia el sustrato conductor. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 
 
La tesis se encuentra dividida en tres capítulos en esta sección se encuentra un breve resumen de 
cada uno. 
Capítulo 1. Marco teórico 
En el capítulo 1 se brinda un panorama general de los conceptos fundamentales necesarios para 
estudiar las celdas solares y particularmente las DSSC. En este capítulo se describen cada uno de 
los materiales que componen las DSSC y se explica su funcionamiento en las DSSC. También se 
presenta la teoría que hay detrás de los parámetros fotovoltaicos y fotoconductivos que describen 
el funcionamiento de las DSSC. 
Por otro lado, se presenta un panorama conceptual del método de síntesis de los materiales 
usados en este trabajo, y de la técnica de su preparación en forma de películas delgadas. Además, 
se resumen las técnicas de caracterización de estos materiales. 
Capítulo 2. Síntesis y metodología experimental 
En el capítulo 2 se describe, paso a paso, la preparación de los materiales usados para armar la 
DSSC. También se indica la forma en que se arman las DSSC estudiadas en este trabajo, y se 
describen los arreglos experimentales utilizados para determinar los parámetros fotoconductivo y 
fotovoltaico de las DSSC. 
Capítulo 3.Resultados y Análisis 
En el capítulo 3 se presentan los resultados obtenidos a partir de cada una de las técnicas 
experimentales que se usaron en este trabajo. También se hace un análisis detalladode los 
comportamientos fotovoltaico y fotoconductivo de cada una de las distintas DSSC estudiadas. El 
análisis de estos resultados nos permite concluir cada una de las aportaciones de este trabajo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
6 
 
Antecedentes 
En la actualidad el consumo de energía ha aumentado desmedidamente, ya sea debido a la 
explosión demográfica mundial o al desarrollo imparable de la industria y las nuevas tecnologías. 
Sin embargo, este comportamiento de consumo ha provocado impactos ambientales tales como 
el calentamiento global, debido a la quema excesiva de combustibles fósiles, que incrementan los 
niveles naturales de CO2 en la atmósfera, por otro lado la producción de energía eléctrica para la 
mayoría de los países está limitada a la existencia de combustibles fósiles en su territorio, ya que 
se trata de la principal forma de producción de energía eléctrica en el mundo. 
Esto ha dado lugar al impulso de investigación de nuevas fuentes energía renovable, las cuales 
permitirían hacer un uso racional de los recursos y sean adaptables a los diferentes ecosistemas 
que conforman el planeta, evitando así una degradación constante del medio ambiente. Al mismo 
tiempo, estas fuentes de energías se convierten en una opción para aquellas poblaciones que no 
cuentan con acceso a la energía eléctrica. Por lo anterior este tema se convirtió de gran interés 
para diversos grupos de investigación alrededor del mundo. El objetivo final es desarrollar 
materiales que permitan elaborar dispositivos que sean de bajo costo, manufactura sencilla y alta 
eficiencia. 
Una solución propuesta, desde hace ya varias décadas, para resolver los problemas mencionados 
en los párrafos anteriores, es el uso de celdas solares, que son dispositivos que tienen la 
capacidad de convertir la radiación solar en corriente eléctrica. Esto sucede cuando un fotón con 
energía superior a la energía de la banda prohibida (𝐸𝑔𝑎𝑝) de un semiconductor, es capaz de 
excitar a los electrones de la banda de valencia a la banda de conducción del semiconductor, 
produciendo de esta manera una separación de carga eléctrica. 
El desarrollo de estas celdas comenzó cuando, en 1839, el efecto fotovoltaico fue observado por 
Alexandre Edmond Becquerel, mientras iluminaba un electrodo de plata inmerso en un electrolito 
de Iodo/Ioduro, lo cual marcó el comienzo de la tecnología de la celda solar [2].Fritts, en 1883, 
construyó el primer dispositivo fotovoltaico, recubriendo selenio con una película de oro y 
obteniendo una eficiencia aproximada de conversión de luz a electricidad de 1% [2]. 
Posteriormente J.Moser midió un incremento significativo de la eficiencia al agregar un tinte de 
eritrosina a un electrolito. Este es el primer reporte sobre el efecto fotovoltaico promovido por un 
sensibilizador [3]. La primer celda fotovoltaica fue patentada en 1945 por Russel Ohl (Patente 
EEUU 2,402,662 “Dispositivo sensible a la luz”). Pero no fue hasta 1954 cuando en los laboratorios 
Bell, Person, Chapin y Fuller crearon la primer celda fotovoltaica de unión n-p disponible 
comercialmente, con una eficiencia (η) de 6% [3]. Comenzando así la carrera por el desarrollo de 
dispositivos fotovoltaicos para el aprovechamiento de la energía solar. Actualmente los dispositivos 
más eficientes alcanzan una eficiencia del 43% de fotoconversión [3]. Este tipo de dispositivos 
combinan diversa capas semiconductoras en una sola celda (celdas tipo tandem). 
En los años 90’s Michael Gratzel inventó una pila solar, que a diferencia de las tradicionales, no 
está construida con semiconductores basados en silicio y germanio, y además emula el proceso de 
fotosíntesis [4]. La idea se basa en depositar sobre un sustrato conductor un óxido semiconductor 
impregnado de algún colorante. 
7 
 
Las celdas Gratzel constan de un foto-ánodo y un contraelectrodo, el primero está compuesto por 
un sustrato transparente y conductor sobre el cual está depositada una película hecha de 
nanopartículas semiconductoras con brecha de energía amplia, por ejemplo TiO2 en sus fases 
anatasa y rutilo. Dicha película es susceptible de impregnarse con colorantes orgánicos, los cuales 
absorben la luz del sol, excitando sus electrones, mismos que son transferidos a la banda de 
conducción del semiconductor. El contraelectrodo consta de un sustrato conductor transparente 
sobre el cual se adhiere una capa de carbón que facilita los procesos redox a través de los cuales 
un electrolito transfiere al colorante el electrón que este cedió. Ambos son ensamblados de forma 
tándem. 
Una de las ventajas de este tipo de celda, es que los materiales que la componen no requieren un 
alto grado de pureza, son económicos, fáciles de obtener en el laboratorio, no son tóxicos y, 
aunque estas celdas todavía no se distingan por presentar una alta eficiencia, las características 
anteriores ya las hace una opción viable en las aplicaciones destinadas a la producción de energía 
renovable. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8 
 
Capítulo 1. Marco Teórico 
1. Celdas Solares 
Una celda solar se define como un dispositivo que convierte la luz del sol en energía eléctrica en 
forma directa, sin la necesidad de piezas móviles o algún tipo de combustión. El efecto 
fotovoltaico es la base del proceso mediante el cual una celda solar convierte la luz solar en 
electricidad [5]. La luz solar está compuesta por fotones de diferentes energías o longitudes de 
onda. Cuando estos fotones inciden en una celda solar son reflejados, absorbidos o trasmitidos. 
Sin embargo, los fotones absorbidos son los que generan la separación de las cargas dentro del 
material para la generación de la corriente eléctrica. 
1.1 Celdas Solares Fotovoltaicas 
Estos dispositivos funcionan esencialmente con base en materiales semiconductores, 
principalmente silicio, a los cuales se les agregan impurezas, formando así semiconductores 
extrínsecos, los cuales pueden contar con exceso o deficiencia de electrones, nombrados tipo n o 
tipo p, respectivamente[4,5]. 
Al poner en contacto un semiconductor tipo n con un semiconductor extrínseco tipo p se presenta 
una interfaz en la que se crea, bajo iluminación, un par electrón-hueco o excitón, representando 
una partícula compuesta de una carga negativa (el electrón) y una carga positiva (el hueco) que 
puede desplazarse dentro del semiconductor(Figura 2). Este desplazamiento se debe a que existe 
un exceso de cargas negativas presentes en el semiconductor tipo n y un exceso de cargas 
positivas por parte del semiconductor tipo p, por lo que al ponerse en contacto en la interfaz se 
genera una diferencia de potencial. 
 
 
 
 
Figura 2. Diagrama unión n-p en un semiconductor, aplicado para la construcción de una celda solar. 
Los niveles de Fermi en los semiconductores tipo p y tipo n poseen diferentes energías, por lo que 
los electrones de las regiones tipo n (de alto potencial) migran a las regiones tipo p (de bajo 
potencial) a través de la unión (Figura 3). Este proceso continúa durante el tiempo que exista la 
diferencia de potencial a través de la unión. Por lo tanto, existe una corriente eléctrica a través de 
la unión n-p [4]. 
 
 
9 
 
 
 
 
Figura 3. Acomodo de los Niveles de Energía en una unión n-p. 
Existen tres generaciones importantes de celdas solares, esta clasificación usualmente sirve para 
describir como se ha llevado acabo el avance en el desarrollo de los materiales con los cuales son 
construidas (Figura 4). La primera generación consiste en aquellas celdas solares monocristalinas, 
con una baja eficiencia y un costo de producción relativamente alto; la segunda incluye celdas 
solares que no son necesariamente monocristalinas y que incluso se presentan en forma de 
películas delgadas, con una eficiencia aún mayor pero un costo de producción mucho más 
económico, consiguiendo que el costo por watt sea mucho más bajo que con las celdas de la 
primera generación. Por último, la tercerageneración, utiliza tecnología que en la mayoría de los 
casos aún no es comercial, basada en el uso de polímeros y nanomateriales, sin embargo se llevan 
a cabo investigaciones para aumentar su eficiencia y disminuir su costo de producción [3]. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4. Generaciones en que se ha dividido el desarrollo de los materiales aplicados en la producción de celdas 
solares. 
El panorama de las celdas solares es muy extenso. En este trabajo se busca hacer una aportación a 
las celdas solares tipo Gratzel, ya que al hacer una comparación con las celdas convencionales, 
este tipo de celdas tiene el potencial de ser producidas mucho más económicamente que las 
celdas existentes en el mercado, debido al bajo costo de la materia prima y sus bajos 
requerimientos de manufactura. 
Conviene subrayar que una de las diferencias más importantes entre una celda fotovoltaica de 
primera generación y una celda DSSC, o también llamada tipo Gratzel, se encuentra en la 
superficie con la que cuenta cada una de las celdas para generar carga eléctrica mediante la 
absorción de fotones y permitir su transporte a lo largo de la celda. Mientras que el común de las 
celdas fotovoltaicas depende del área de la interfaz de la unión n-p, las DSSC no cuentan con ese 
Primera 
Generación 
Monocristal inas 
de Si Wafers(c-Si) 
Segunda Generación 
Amorfas de Silicio (S-Si) 
Pol icristalinas de Silicio 
(Pol i -Si ) 
Telenuro de Cadmio 
(CdTe) CISGS(Cobre 
Indio Galio diselenuro) 
Tercera Generación 
Sens ibi l i zadas con 
colorantes (DSSC) ó tipo 
Gratzel 
Pol iméricas 
De Puntos cuánticos 
Cris ta les inorgánicos 
dentro de una matriz 
pol imérica 
10 
 
inconveniente, ya que las nanopartículas semiconductoras con las que están elaboradas 
proporcionan un área alta específica de contacto con las moléculas de colorante que sensibilizan a 
la celda y que aportan carga eléctrica durante la iluminación. Teóricamente estas celdas pueden 
alcanzar una eficiencia del 30% en condiciones ideales y de 13.4% en condiciones reales. 
1.2 Celdas Solares Sensibilizadas con Colorantes (DSSC) 
Comúnmente las DSSC son definidas como celdas fotoelectroquímicas. Se encuentran 
conformadas por un foto-ánodo y un contraelectrodo (Figura 5), separados por una película de 
nanopartículas de un óxido semiconductor. Estas celdas son sensibilizadas mediante colorantes 
orgánicos, los cuales son los responsables de transferir la carga eléctrica, cuando son iluminados. A 
su vez contiene un electrolito cuya función dentro de la celda es reponer en las moléculas 
orgánicas los electrones cedidos, evitando así una rápida degradación. Finalmente la celda se 
completa con un contraelectrodo sobre el cual está depositado un catalizador que facilita los 
procesos redox en la celda [4]. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 5. Esquema de los componente Celda Solar tipo Gratzel ó DSSC. 
En el diagrama de la (Figura 6) se representa la función que a nivel electrónico llevan a cabo cada 
uno de los materiales que componen una DSSC. El colorante pasa de un estado fundamental 
(HOMO) a un estado excitado (LUMO) mediante la absorción de luz. Los electrones que en la 
molécula fueron excitados al LUMO, antes de volver a su estado fundamental (HOMO), se 
transfieren a la banda de conducción de las nanopartículas TiO2 , generando una corriente, la cual 
es detectada en el momento en que la carga llega al electrodo conductor (en nuestro caso 
conformado por una película de óxido de indio-estaño ITO), emigrando a través de éste hacia el 
contraelectrodo, en el caso en que la celda se encuentre en modo de corto circuito, y finalizando 
con la producción de un voltaje de circuito abierto 𝑉𝑂𝑂 cuando el electrón proveniente del 
contraelectrodo adquiere el nivel de energía del potencial químico µ0 del electrolito (𝐼3−), se 
genera el Voc, ya que éste queda determinado por la diferencia entre el 𝑁𝐹 y µ0. Estos 
dispositivos funcionan gracias a que ITO y el TiO2 cuentan con un band gap (𝐸𝑔) de valores 
adecuados para los niveles de energía del colorante (Antocianina) y el electrolito (𝐼3−) [6]. 
 
 
ℎ𝑣 
𝐼3− 
𝐼− 
𝐼3− 
𝐼− 
𝐼− 
𝐼3− 
𝐼3− 
−𝑒 
−𝑒 −𝑒 
−𝑒 
𝐼𝐼𝐼 𝐼𝐼𝐼 
11 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 6. Diagrama de los niveles de energía de los materiales que componen una DSSC. 
Por otro lado, esta celda experimenta un proceso de óxido-reducción, en el cual la especie 
oxidada, el colorante, reacciona con el electrolito, quien reduce al colorante, a expensas de oxidar 
𝐼3−, y éste a su vez se reduce cuando recibe a los electrones provenientes del contraelectrodo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A continuación se da una explicación detallada de cada uno de los materiales que componen una 
DSSC. 
 
 
𝑆 + ℎ𝑣 → 𝑆∗ 
𝑆∗ → 𝑆+ + 𝑒𝑂𝐵 
𝑆+ + 𝐼− → 𝑆 + 𝐼 ° 
𝐼 ° + 𝐼− → 𝐼2°− 
2𝐼2°− → 𝐼3− + 𝐼− 
𝐼3− + 2𝑒𝑂𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛 → 3𝐼− 
Absorción de la luz por el colorante 
Transferencia de electrones a la banda de 
conducción delTiO2 
Regeneración del colorante (Antocianina) y 
oxidación de electrolito 
Estabil ización del electrolito 
Regeneración del electrolito con los electrones 
cedidos por el catalizador 
HOMO 
LUMO 
Antocianina 
1.
1 
BV 
TiO2 
𝐸𝐹 ∆𝑉 = 𝑉𝑂𝑂 = 𝑁𝐹− µ0 
µ0 
BC 
ITO 
BV 
ITO 
−𝑒 
−𝑒 
−𝑒 
−𝑒 
 
−𝑒 
−𝑒 
 
𝐼−/𝐼3− 
BC 
ITO 
BV 
ITO 
 
OH
OH
O+
OH
R'
OH
RBC 
TiO2 
12 
 
1.2.1 Dióxido de Titanio TiO2 
El dióxido de titanio, TiO2 , es un material de gran importancia tecnológica por sus propiedades 
fisicoquímicas. Es un óxido metálico que podría definirse como aislante debido a que tiene un 
ancho de banda cercano a los 3,2 eV. Sin embargo, por razones termodinámicas, su estructura es 
deficiente en oxígenos, lo cual origina estados localizados cerca de la banda de conducción 
dándole características de semiconductor (figura 7). 
 
 
 
 
 
Figura 7. (Izquierda) Diagrama de Bandas de energía para el TiO2, en fase anatasa. (Derecha) Geometría tetragonal del 
TiO2en fase anatasa [10]. 
El dióxido de titanio existe en varias forma polimórficas las más comunes son la anatasa, el rutilo y 
la brookita. La estructura cristalina en que se encuentran las fases anatasa y rutilo corresponde a 
un sistema tetragonal. La fase anatasa es importante para el desarrollo de DSSC ya que en esta 
fase el TiO2 presenta un mejor comportamiento como semiconductor. 
En este trabajo se usó el producto comercial Aeroxide (antes Degussa P25), que son 
nanopartículas de TiO2 que comparten fases cristalinas de anatasa y rutilo. Por otro lado, se 
sintetizó TiO2 por el método sol-gel, y fue depositado en forma de película, a la cual se le indujo la 
formación de la fase anatasa mediante un tratamiento térmico específico [7-9]. 
 
1.2.2 Sensibilizadores 
A las moléculas contenidas en las DSSC capaces de absorber luz solar y de transferir sus electrones 
excitados al material semiconductor se les conoce como sensibilizadores. Sin estos sensibilizadores 
las DSSC no podrían generar energía, tal y como ocurre con diversas moléculas que se encuentran 
en las plantas de manera natural [11]. 
Para que una molécula pueda considerarse buen sensibilizador, deben de tener diversas 
características como, un potencial redox similar a la energía de banda prohibida del 
semiconductor que se está utilizando; por otro lado, debe tener un buen acoplamiento electrónico 
el orbital LUMO con la banda de conducción del semiconductor TiO2 de tal manera que sea 
efectiva transferencia de los electrones. El sensibilizador utilizado en este trabajo son las 
antocianinas, que son un tipo de moléculas conjugadas que producen los colores rojos, púrpura y 
azul de diferentes flores, verduras y frutas (moras, zarzamoras, frambuesa, fresa, etc), Las 
antocianinas pertenecen al complejo grupo de los compuestos fenólicos solubles en agua y se 
consideran pigmentos naturales no tóxicos. 
Anatasa 
13 
 
Químicamente, las antocianinas son glucósidosde las antocianidinas, es decir, están constituidas 
por una molécula de antocianidina, que es la aglicona, a la que se le une un azúcar por medio de 
un enlace β-glucosídico. La estructura química (Figura 8) básica de estas agliconas es el ión flavilio , 
también llamado 2-fenil-benzopirilio, que consta de dos grupos aromáticos: un benzopirilio (A) y 
un anillo fenólico (B) (figura); el flavilio normalmente funciona como un catión[13]. 
 
 
 
 
 
 
Figura 8. Estructura de la molécula antocianina 
Cuando el residuo de azúcar es un hidrolizado de la antocianina, el resultado es la aglicona, 
conocida como antocianidina. Las más comunes formas de antocianidinas son: pelargonidina, 
cianidina, delfinidina, peonidina, malvidina y petunidina (Tabla1). 
El color de las antocianinas depende del número y orientación de los grupos hidroxilo y metoxilo 
de la molécula. Incrementos en la hidroxilación producen desplazamientos hacia tonalidades 
azules mientras que incrementos en las metoxilaciones producen coloraciones rojas [15]. 
Aglicona Substitución λmax (nm) 
 R R’ Absorción Óptica 
Perlaginidina H H 494(naranja) 
Cianidina OH H 506(naranja-rojo) 
Delfinidina OH OH 508(azul-rojo) 
Peonidina OCH3 H 506(naranja-rojo) 
Petunidina OCH3 OH 508(azul-rojo) 
Malvidina OCH3 OCH3 510(azul-rojo) 
Tabla1. Estructura y sustituyentes de las antocianinas. 
1.2.3 Electrolito (𝐼3−/𝐼−) 
Cualquier dispositivo electroquímico requiere de un electrolito, ya que una solución iónica puede 
donar con facilidad los aniones o cationes requeridos por el dispositivo. Por tanto, su función en 
las celdas DSSC es aportar los pares redox necesarios. El electrolito utilizado en la DSSC de este 
trabajo contiene iones 𝐼3−/𝐼− . El electrolito se obtuvo de una mezcla de Iodo (I) con Ioduro de 
Potasio (IK) en fase líquida [16]. 
 
 
 
OH
OH
O+
OH
R'
OH
R
A
B
14 
 
1.3 Parámetros fotoconductivos y fotovoltaicos en las DSSC 
La respuesta fotoconductiva y fotovoltaica de las DSSC depende de varios parámetros. El método 
estacionario que se usa para medir el desempeño de la DSSC involucra la medición de la densidad 
de corriente generada, en la oscuridad y bajo iluminación, como función del voltaje. Los 
parámetros para que se lleve a cabo este análisis se obtienen de la ecuación (1) [4]. 
Mediante la ecuación (1) se puede identificar dos fenómenos. La 𝐽𝑆𝑂 indica la existencia del 
fenómeno fotovoltaico, el cual se define como la propiedad que presenta un material de generar 
una corriente eléctrica cuando se encuentra iluminado y sin estar sujeto a un campo eléctrico 
externo. La pendiente con la que crece la densidad de corriente 𝐽a distintos campos eléctricos 𝐸 
es un indicador de la existencia de efecto fotoconductivo, es decir, de cómo cambia la 
conductividad del material cuando se encuentra bajo iluminación. En la ecuación (1) 𝐽𝐼𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑎𝑑𝑜 es 
la densidad de corriente bajo iluminación, 𝐽𝑂𝑠𝑐𝑢𝑟𝑎es la densidad de corriente en la oscuridad, 𝐽𝑆𝑂 
es la densidad de corriente en corto circuito, 𝜎𝑝ℎ es la fotoconductividad y 𝐸 es el campo eléctrico 
externo [18]. 
𝐽𝐼𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑎𝑑𝑜− 𝐽𝑂𝑠𝑐𝑢𝑟𝑎 = 𝐽𝑆𝑂 + 𝜎𝑝ℎ𝐸 (1) 
1.3.1 Eficiencia de conversión de fotones incidentes a corriente (𝑰𝑷𝑶𝑬) 
El IPCE permite determinar la eficiencia de generación de portadores de carga fotogenerados en 
relación al número de fotones incidentes. Se calcula a partir de la ecuación (2) [18]. 
 𝐼𝑃𝐶𝐸 = # 𝑒𝑙𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠
#𝑓𝑜𝑡𝑜𝑛𝑒𝑠
=
�𝐽𝑆𝐶
𝑒
�
�𝜆𝐼
𝑐ℎ
�
 (2) 
Donde 𝐽𝑆𝑂 es la densidad de corriente en corto circuito, 𝑒 es la carga del electrón, 𝑐 es la velocidad 
de la luz en el vacío, ℎ es la constante de Planck, 𝜆 es la longitud de onda con que se ilumina e І es 
la intensidad de iluminación. 
1.3.2 Tiempo de vida de los portadores de carga(𝝉) 
La medición de los tiempos de vida de los portadores de carga fotogeneradas se lleva acabo con 
el fin de analizar los procesos de recombinación en la DSSC. En este tipo de celdas el estudio de 
tiempo de vida como función del voltaje se pude hacer mediante el análisis del decaimiento de 
voltaje a circuito abierto (𝑉𝑂𝑂), en la oscuridad, como función del tiempo. La ecuación (3) se 
emplea para obtener los tiempos de vida (𝜏) a partir de 𝑉𝑂𝑂[18, 9]. 
 𝜏 = 𝑘𝐵𝑇
𝑒
�𝑑𝑉𝑂𝐶
𝑑𝑡
�
−1
 (3) 
Donde 𝜏 es el tiempo de vida promedio de los portadores de carga, 𝑘𝐵 es la constante de 
Boltzman, 𝐼 es la temperatura ambiente y 𝑒 es la carga del electrón. 
 
 
15 
 
1.3.3 Eficiencia cuántica para generar un portador de carga libre (ɸ) 
Este parámetro sirve para calcular la eficiencia con la que son transferidas las cargas excitadas en 
el colorante hacia la banda de conducción del TiO2 , ɸ se encuentra definido por la ecuación (4), 
misma que se deduce de la ecuación (1) [18-22]. 
 ɸ = ℎ𝑐𝐽𝑠𝑐
𝑒𝑙0𝛼𝐼𝜆
 (4) 
Donde 𝑒 es la carga del electrón, 𝑙0 es el del camino libre medio, de acuerdo a la referencia [22] en 
la anatasa es de 5.1x10-7 cm, 𝜆 es la longitud de onda de iluminación, ℎ es la constante de Planck, 
𝑐 es la velocidad de la luz en el vacío, 𝐽𝑠𝑐 es la densidad de corriente medida en corto circuito, 𝐼la 
intensidad de iluminación sobre la DSSC y 𝛼la absorbancia. 
1.3.4 Movilidad de los portadores de carga en la DSSC (𝝁) 
La movilidad (𝜇) se define mediante la ecuación (5) y se deduce a partir de la ecuación (1). Este 
parámetro permite calcular que tan fácil pueden moverse las cargas generadas dentro de la celda 
en cada interfaz que esta presenta, así es posible comparar la capacidad de transporte electrónico 
en distintas DSSC [18-22]. 
 𝜇 = ℎ𝑐𝜎ɸ
𝑒𝜏𝛼𝐼𝜆
 (5) 
Donde, 𝑒 es la carga del electrón, 𝐼 es la intensidad de iluminación sobre la DSSC, 𝜎 la 
fotoconductividad, ɸ eficiencia cuántica para fotogenerar un portador de carga, 𝜏 es el tiempo de 
vida media de los portadores de carga y 𝛼la absorbancia. 
1.4 Curvas de caracterización para el estudio del funcionamiento de una DSSC 
1.4.1 Voltaje a circuito abierto vs Intensidad de iluminación 
El cambio del voltaje en circuito abierto 𝑉𝑂𝑂 con respecto a la intensidad de iluminación 𝐼 no sigue 
una relación lineal, ya que depende de cómo se modifica el nivel de fermi 𝑁𝐹 y el potencial 
químico 𝜇0 al traslaparse la nube electrónica correspondiente al LUMO de las moléculas orgánicas 
con los átomos del óxido semiconductor [18-22]. 
Estos cambios los podemos analizar mediante la ecuación (6) y el ajuste de los datos 
experimentales se realiza mediante la ecuación (7) [17-21]. 
 𝑉𝑂𝑂 =
𝑘𝐵𝑇𝛽
𝑒
ln(1 +
ɸ𝜏𝜆
ℎ𝑐 𝐼𝛼
𝑛0
) (6) 
 𝑦 = 𝑎 ∗ ln(1 + (𝑏 ∗ 𝑋)) (7) 
Donde 𝑉𝑂𝑂 es el voltaje a circuito abierto, 𝑘𝐵es la constante de Boltzman, 𝐼 es la temperatura a la 
que se encuentra la DSSC, 𝛽 es un parámetro fenomenológico adimensional relacionado con los 
procesos internos de recombinación electrónica en la DSSC, e es la carga del electrón, ɸ es la 
16 
 
eficiencia cuántica de generación de portadores de carga, 𝜏 es el tiempo de vidad de los 
portadores de carga, 𝐼es la intensidad de iluminación, 𝛼 es la absorbancia de los colorantes en la 
DSSC y 𝑠0 es la densidad de portadores de carga que existe en la DSSC cuando no se encuentra 
bajo iluminación. 
1.4.2 Densidad de corriente (𝑱) vs Voltaje (𝑽) 
La curva de densidad de corriente 𝐽 – voltaje 𝑉 brinda información importante sobre el 
desempeño de la celda. La forma de la curva (𝐽 𝑣𝑠 𝑉) describe si el dispositivo se encuentra 
funcionando adecuadamente y si existen procesos quedisminuyen la eficiencia de conversión 
energética. La 𝐽𝑆𝑂 y el 𝑉𝑂𝑂 serán los valores de importancia para esta curva ya que indican la 
densidad de corriente y el voltaje máximo respectivamente sobre el área iluminada, que es la de 
toda la celda. Estos valores son usados para calcular el factor de llenado y la eficiencia de la celda. 
1.4.3 Densidad de corriente en corto circuito (𝑱𝑺𝑶) vs Voltaje circuito abierto (𝑽𝑶𝑶) 
Es preferible describir a la corriente en corto circuito 𝐼𝑆𝑂, como densidad de corriente 𝐽𝑆𝑂 para 
tomar en cuenta el área sobre la cual se lleva a cabo la medición. Es la cantidad de corriente que 
el dispositivo da cuando está bajo iluminación y no es aplicado un potencial. El valor de la 𝐽𝑆𝑂 en 
una DSSC depende de su absorción óptica, la transferencia de los portadores de carga foto 
generados, transferencia de carga y colección de carga por los electrodos. 
El 𝑉𝑂𝑂 aparece como interceptor en el eje x, da voltaje cuando no está fluyendo corriente a través 
de dispositivo y está directamente relacionado con el posicionamiento del HOMO y LUMO del 
colorante así como del nivel de energía del par redox en el electrolito. 
1.4.4 Factor de llenado (𝑭𝑭) 
Aun cuando se tengan altos valores de𝐽𝑆𝑂 y 𝑉𝑂𝑂 la eficiencia de la fotoconversion puede ser 
pobre; el factor de llenado 𝐹𝐹 lo determina. Este factor revela que tan bien se comporta el 
dispositivo comparado con su máximo teórico esperado. El 𝐹𝐹 se calcula usando la siguiente 
ecuación (8) [18-22]. 
𝐹𝐹 = 𝑃𝑚á𝑥 𝐴⁄
𝑉𝑂𝐶∗𝐽𝑆𝐶
 (8) 
 Donde 𝐽𝑆𝑂 y 𝑉𝑂𝑂 son la densidad de corriente en corto circuito y el voltaje a circuito abierto 
asociados a la DSSC, 𝑃𝑚á𝑥 es la máxima potencia eléctrica que genera la DSSC, mientras que 𝐴 es 
el área de iluminación de la celda. 
Los valores del FF son afectados por dos factores, la resistencia en serie y la resistencia de 
derivación del circuito equivalente de la DSSC. La primera se incrementa como resultado de las 
resistividades individuales en los materiales usados en el dispositivo, por lo que es importante que 
ésta sea mínima y la segunda resulta de las fugas de corriente dentro del dispositivo, debido a 
recombinación electrónica o a un pobre transporte de carga. 
 
17 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 9. Curvas J-V mostrando el efecto (izquierda) de la resistencia en serie y (derecha) de la resistencia de 
derivación en el FF de la DSSC. El FF decrece de acuerdo con las curvas dibujadas, este disminuye de la curva azul a la 
roja. 
1.4.5 Eficiencia de la DSSC 
La eficiencia de la DSSC se calcula usando los datos generados por la curva (𝐽𝑆𝑂 𝑣𝑠 𝑉𝑂𝑂 ). Los datos 
de la densidad de corriente se multiplican por su voltaje correspondiente, obteniendo la potencia 
eléctrica en cada punto, de acuerdo con la ecuación 𝑃 = 𝐼𝑉 . El valor de la máxima potencia 
(𝑃𝑚á𝑥) es el que se usa para calcular la eficiencia (η) usando la ecuación (9) [18-22,9] 
η = 𝑃𝑚á𝑥
𝑃𝐼𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑎𝑐𝑖ó𝑛
∗ 100 % (9) 
 Donde (𝑃𝑚á𝑥) es la máxima potencia eléctrica y (𝑃𝐼𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑎𝑐𝑖ó𝑛) corresponde a la potencia de 
iluminación. La eficiencia es reportada como un porcentaje de la potencia eléctrica producida a 
partir de la potencia recibida en forma de iluminación. 
1.5 Método de síntesis y técnica de depósito de películas de TiO2 
1.5.1 Método Sol - Gel 
Una de las técnicas más empleadas en la obtención de materiales cerámicos es el método Sol – 
Gel. Dicho proceso consiste en la preparación de material sólido a partir de la transformación de 
un Sol en un Gel, con la subsecuente remoción de disolventes. El Sol se define como una 
dispersión de partículas coloidales en un medio fluído [24], y el Gel como un sólido compuesto de 
al menos dos fases: una fase sólida y una fase líquida. La primera forma una red que atrapa e 
inmoviliza a la fase líquida [24]. 
El método Sol-Gel parte de un precursor alcóxido. Las condiciones del Sol se modifican de manera 
controlada, de tal forma que las partículas tienden a polimerizar para formar una matriz continua 
que contiene a una fase líquida. 
 
 
Voltaje (𝑉) 
De
ns
id
ad
 d
e 
Co
rr
ie
nt
e 
(𝐽
) 
Reducción de la 
resistencia en serie 
Voltaje (𝑉) 
De
ns
id
ad
 d
e 
Co
rr
ie
nt
e 
(𝐽
) Reducción de la 
resistencia en 
derivación 
18 
 
El proceso puede describirse en base a las siguientes etapas (Figura 10): 
• La formación de una solución en la que ocurren reacciones de hidrólisis y de 
polimerización por condensación. 
• Durante la gelación, la viscosidad de la solución aumenta, pero continúan las reacciones 
de hidrólisis y condensación. 
• Durante el secado y el envejecimiento del Gel, éste se encuentra formado por partículas 
enlazadas entre sí, y contienen líquido disolvente entre sus poros. 
• Al remover la fase líquida, para obtener un Gel seco mediante evaporación a bajas 
temperaturas, ocurren procesos que cambian la estructura y propiedades del Gel 
resultante. En esta etapa el material experimenta una pérdida considerable de peso, y un 
encogimiento, debido a fuerzas de capilaridad que ejercen una compresión en los poros, 
provocando que el Gel se contraiga conforme se evapora el líquido. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 10. Representación esquemática del proceso Sol-Gel usando distintas técnicas para obtener diferentes 
materiales. 
Como se mencionó, en el proceso Sol – Gel se encuentran involucradas principalmente dos tipos 
reacciones: la hidrólisis y la condensación. La hidrólisis ocurre cuando las moléculas de agua 
entran en contacto con el precursor alcóxido, en este caso las moléculas de agua se separan en un 
átomo de hidrógeno y en un radical hidroxilo, haciendo que se liberen moléculas de alcohol y que 
el precursor adquiera un ligando OH (Figura 11). Dependiendo de la cantidad de agua y de 
catalizador presente, la rapidez con la que se dé la hidrólisis será modificada. El precursor se 
representa químicamente como M(OR) n, donde M es un metaloide (en este trabajo el metaloide 
19 
 
es Ti), los signos “-” representan enlaces químicos, R el radical “alquilo”, OH el radical “hidroxilo”, 
R(OH) una molécula de alcohol y 𝐻+ ,𝐻− son cargas que catalizan las reacciones. 
𝐻+ 𝐻− 
 𝑀(𝐼𝑅)𝑛 +𝐻2𝐼 ⇋ 𝐻𝐼−𝑀(𝐼𝑅)𝑛−1 +𝑅𝐻𝐼 
𝑀(𝐼𝑅)𝑛−1− 𝐼𝐻+ 𝑀(𝐼𝑅)𝑛−1 𝐼𝑅 ⇋ [ 𝑀(𝐼𝑅)𝑛−1− 𝐼−𝑀(𝐼𝑅)1] +𝑅(𝐼𝐻) 
Figura 11. Esquema de las reacciones químicas involucradas en el Proceso Sol – Gel. 
Posteriormente se da la condensación. Esta reacción es crucial, ya que en ella se presenta el 
proceso de polimerización, donde se da el enlace covalente entre los grupos M-O-M, originando la 
formación de la red estructural del material, o matriz (que no necesariamente tiene arreglo 
cristalino) [24-25]. Durante esta reacción se libera agua o alcohol (Figura 12), que se evaporarán a 
temperatura ambiente, o aplicando algún tratamiento térmico especifico. 
≡ 𝑀− 𝐼𝐻+𝐼𝐻− 𝑀 ≡↔≡𝑀−𝐼 −𝑀 ≡ +𝐻2𝐼 
≡ 𝑀−𝐼𝑅 +𝐻𝐼−𝑀 ≡↔≡ 𝑀−𝐼 −𝑀 +𝑅𝐼𝐻 
Figura 12. Esquema de las reacciones químicas involucradas en el Proceso Sol – Gel. 
Este proceso permite el desarrollo de materiales en diversas presentaciones: monolitos, polvos, 
granos, nanopartículas, fibras, compositos, geles y membranas porosas, además de películas 
delgadas y recubrimientos, (Figura 10), con los cuales se pueden recubrir interior o exteriormente 
objetos con formas complejas, con diversos espesores uniformes sobre grandes áreas, y con muy 
buena adherencia sobre metales, plásticos y cerámicos [11]. Los materiales cerámicos elaborados 
mediante el método Sol-Gel, como puede ser el TiO2 , resultan atractivos pues su producción es de 
bajo costo, y pueden obtenerse en fase amorfa, cristalina (inducida mediante tratamientos 
térmicos) o incluso de manera nanoestructuradas (mediante el auto ensamblaje de surfactantes). 
1.5.2 Surfactantes 
Los surfactantes,por sus siglas en ingles SURFace ACTive AgeNTS, son moléculas que modifican la 
tensión superficial en la superficie de contacto entre dos fases distintas, por ejemplo: en la interfaz 
de dos líquidos insolubles. Las moléculas surfactantes usualmente están compuestas tanto de 
regiones lipofóbicas (que son repelidas por las cadenas de carbono de los disolventes) y lipofílicas 
(que son atraídas por las cadenas de carbono de los disolventes) [27]. 
Cuando se tiene agua por disolvente, los términos apropiados para cada una de las regiones de los 
surfactantes son hidrofóbicas e hidrofílicas. Desde el punto de vista molecular esto indica que la 
fase hidrofílica es soluble en agua, mientras que la fase hidrofóbica no lo es; a esta última se le 
atribuye la actividad de disminución de la tensión superficial. 
20 
 
 
 
 
 
 
Figura 13. Surfactante ordenado en mono capa (izquierda). Ordenado en forma micelar normal (derecha). 
La región hidrofílica es atraída fuertemente por la moléculas de agua, mientras que la fase 
hidrofóbica es repelida, en consecuencia, cuando un conjunto de moléculas surfactantes se 
encuentran en un medio acuoso, adquieren organizaciones geométricas que minimizan el 
contacto de las regiones hidrofóbicas con el agua, (Figura13). A los aglomerados de las moléculas 
del surfactante se le denomina micela. 
La fase hidrofóbica es comúnmente un hidrocarburo que contiene de 8 a 18 carbonos, estos 
hidrocarburos pueden ser de tipo alifático, aromático o una combinación de ambos. La fase 
hidrofílica está constituida normalmente por complejos iónicos o por complejos de radicales de 
hidroxilo. Estas moléculas se pueden agrupar en tres grupos distintos: aniónicos, catiónicos y los 
no iónicos. 
Los llamados surfactantes aniónicos contienen generalmente un grupo polar negativo, combinado 
con una cadena hidrocarbonada hidrofóbica. Si esa cadena es corta son muy hidrosolubles, pero 
en el caso contrario tienen una baja hidrosolubilidad. En cambio, los surfactantes catiónicos se 
caracterizan por poseer una carga eléctrica neta positiva en su parte hidrofílica. Los surfactantes 
aniónicos y catiónicos se disocian en iones hidratados en medios acuosos, en contraste con lo que 
ocurre con los surfactantes no iónicos, en los que las propiedades hidrofílicas son provistas por 
grupos amida, amino, éter o hidroxilo. 
El interés de estas moléculas, en este trabajo, se debe a su fuerte afinidad por el agua, a partir de 
interacciones electrostáticas existentes entre los grupos polares de los surfactantes con los dipolos 
de las moléculas de agua. 
La autoorganización de los surfactantes en medios acuosos induce diversas configuraciones 
geométricas en los materiales sólidos sintetizados mediante el método Sol–Gel. Como ejemplo, la 
configuración lamelar 1-D, misma que puede identificarse en los materiales mediante la técnica de 
difracción de rayos X [28]. El surfactante iónicos que utilizamos en este trabajo para inducir 
nanoestructuras ordenadas de largo alcance en el TiO2 es el surfactante catiónico Cetil Trimetil 
Amonio de Bromo ó CTAB (CH3 (CH2 ) 15 NBr(CH3 ) 3 ). 
El CTAB es una sal de amonio cuaternario con actividad anfifílica con un grupo alquilo de gran 
longitud. Es un surfactante catiónico que, al autoorganizarse, dirige la formación de una 
21 
 
estructura. La geometría en la que está se organice dependerá de una concentración micelar 
crítica en una matriz de TiO2 , como la usada en el presente trabajo, (Figura 14). 
 
Figura 14. Estructura de una molécula de CTAB. 
En este trabajo también se utilizó el Triton X-100. El Triton X-100 es un agente tensoactivo no 
iónico, que tiene una cadena de óxido de polietileno hidrófilo y un hidrocarburo aromático lipófilo 
o hidrófobo, (Figura15). El grupo hidrocarburo es un grupo 4 – fenilo. Sin diluir, el Triton X-100 es 
un fluido viscoso claro, debido a los enlaces de hidrógeno de sus partes hidrófilas en el óxido de 
polietileno [29]. Estas propiedades permiten usarlo como agente separador en películas 
homogéneas hechas de nanopartículas de TiO2 . 
 
Figura 15. Estructura de una molécula de Triton X-100. 
1.5.3 Técnica Spin - Coating 
Debido a que inicia a partir de una fase líquida, el método sol-gel permite la elaboración de 
material en muy diversas formas: partículas, fibras, monolitos y en partículas en forma de 
películas. Una película delgada es una porción de material sólido depositado sobre un sustrato, 
cuya anchura y longitud son mucho mayores que su espesor, y éste a su vez es del orden de las 
longitudes qué onda de la luz visible. Existen diversas técnicas para el depósito de películas, tales 
como son el Spin - Coating, el Dip – Coating, la evaporación térmica y el Spray – Coating, entre 
otras [30]. En este trabajo se utilizó el la técnica de Spin – Coating, por ser un método rápido y fácil 
para generar películas delgadas homogéneas a partir de una pequeña cantidad de solución 
acuosa. 
Esta técnica se realiza con un instrumento llamado spicoater, el cual posee un torno que inmoviliza 
al sustrato mediante extracción de aire durante su proceso de rotación. Para preparar una 
película, el material a depositar se disuelve previamente, siendo muy aconsejable el filtrado de la 
disolución para eliminar partículas o impurezas, y evitar así posteriores defectos en la película [14]. 
A pesar de que existen divergencias entre diferentes autores en cuanto a la delimitación de las 
etapas en el proceso de spin-coating, éstas pueden unificarse en cuatro [30], (Figura 16): 
 
CH3
N+
CH3
CH3
CH3
Br-
 O
O
H
n
22 
 
- Etapa1 (Depósito): Se deposita un cierto volumen de disolución sobre el sustrato limpio 
inmovilizado, cubriendo toda la superficie. La cantidad de material que aporta este volumen está 
en exceso en relación a la cantidad que finalmente formará la película. 
- Etapa2 (Activación de la centrifugación): El sustrato se acelera hasta que se alcanza la velocidad 
de rotación final deseada. Debido a la fuerza centrífuga generada en el movimiento rotatorio, la 
disolución se esparce sobre toda la superficie del sustrato, y se expulsa el excedente. 
- Etapa3 (Desactivación de la centrifugación): El sustrato gira a velocidad constante, y se produce 
un adelgazamiento gradual del fluido, generalmente uniforme sobre toda la superficie. 
Principalmente en función de la tensión superficial, la viscosidad del fluido y velocidad de 
rotación, el espesor final de la película puede ser ligeramente diferente en los bordes del soporte. 
- Etapa4 (Evaporación): Durante esta etapa, el soporte continúa girando a velocidad constante, y 
es la evaporación del disolvente el fenómeno predominante. 
Las etapas tercera (control del flujo o caudal) y cuarta (control de la evaporación) son las dos 
etapas que más impacto tienen en el espesor final de la película, y ocurren de forma simultánea. 
Es habitual, una vez acabado el proceso, calentar el sustrato con la película, para eliminar los 
restos de disolvente que hayan quedado en ésta. 
 
 
 
 
 
Figura 16. Esquema de la técnica Spin – Coating. 
1.6 Técnicas de caracterización 
1.6.1 Técnica de Difracción de rayos X (DRX) 
Los rayos X son radiación electromagnética, invisible, cuya longitud de onda se encuentra entre los 
10 y los 0.01 nanómetros (nm). Son generados por un haz de electrones de alta energía que incide 
sobre la superficie de un metal (generalmente cobre, molibdeno o hierro), y poseen un espectro 
que consta de dos partes, una banda ancha de radiación continua y unas líneas características, 
llamadas Kα, Kβ, Lγ, etc [31,5]. 
Debido a su longitud de onda λ y energía E, los Rayos X pueden ser utilizados para explorar la 
estructura de los cristales por medio de su difracción, pues la distancia entre los átomos de una 
red cristalina es del orden de la λ de los rayos X. 
3. DESACTIVACIÓN 
DE LA 
CENTRIFUGACIÓN 
4. EVAPORACIÓN 1. DEPÓSITO
 
2. ACTIVACIÓN 
DE LA 
CENTRIFUGACIÓ
 
23 
 
La informaciónque proporciona el patrón de DRX se puede entender como dos aspectos 
diferentes pero complementarios: por un lado, la geometría de las direcciones de difracción 
(condicionadas por el tamaño y forma de la celda elemental del cristal) nos ofrece información 
sobre el sistema cristalino. Y por otro lado, la intensidad de los rayos difractados está íntimamente 
relacionada con la naturaleza de los átomos y las posiciones que ocupan en la red del material, de 
manera tal que su medición permite obtener la información adicional necesaria para conocer la 
estructura interna del cristal [31]. Para ello, la ley de Bragg proporciona una ayuda excelente para 
aprovechar los resultados obtenidos mediante DRX. Una breve explicación a la ley de Bragg es la 
siguiente, en la (Figura 17), se observa que la onda superior es reflejada por el primer plano, en 
tanto que la onda inferior es reflejada por un átomo del segundo plano, para que estas dos ondas 
reflejadas entren en fase de nuevo y experimenten interferencia constructiva, la distancia que 
recorre la onda inferior debe ser un múltiplo entero de la longitud de onda 
𝐵𝐶+ 𝐶𝐷 = 2𝑑𝑠𝑒𝑠𝜃 = 𝑠𝜆 (10) 
2𝑑 𝑠𝑒𝑠𝜃 = 𝑠𝜆 (11) 
donde 𝜃 es el ángulo entre los rayos X y el plano del cristal, 𝑑 es la distancia entre planos 
adyacentes y 𝑠 es un número entero (𝑠 = 1,2,3 …)[11]. 
 
 
 
 
 
Figura 17. Difracción de Rayos X 
La ecuación (11) representa la ley de Bragg. En la ecuación (12) se describe el espaciamiento entre 
planos de una estructura cúbica simple, estructuras lamelares, donde ℎ, 𝑘, 𝑙 son los índices de 
Miller y 𝑎 es una constante conocida como parámetro de red, que es la distancia constante entre 
las estructuras unitarias que se repiten periódicamente en el material. 
1
𝑑2
= ℎ
2+𝑘2+𝑙2
𝑎2
 (12) 
El surfactante CTAB induce la formación de una estructura de tipo lamelar 1-D en la película de 
TiO2 sintetizada por el método sol-gel. Para calcular el espaciamiento entre los planos 
correspondientes a esta estructura usaremos las ecuaciones (11) y (12) [14]. 
En este caso la ecuación (12) se reduce a la ecuación (4), debido a que la estructura lamelar 1-D 
tiene periodicidad solamente en una dimensión, es decir: 𝑘, 𝑙 = 0 . 
1
𝑑2
= ℎ
2
𝑎2
 (13) 
A 
C 
D B 𝜃 𝜃 
𝜃 𝜃 
Rayos incidentes 
Rayos reflejados 
𝑑 𝑠𝑒𝑠𝜃 𝑑 𝑠𝑒𝑠𝜃 
24 
 
Tras elevar al cuadrado la ecuación (2), despejar 𝑑2 de la ecuación (13), e igualar ambas 
ecuaciones se obtiene: 
𝑠2𝜆2 = 4(𝑎
2
ℎ2
)𝑠𝑒𝑠2(𝜃) (14) 
Si 𝑠 = 1 en la ecuación (14) entonces: 
𝜆2 = 4(𝑎
2
ℎ2
)𝑠𝑒𝑠2(𝜃) (15) 
La constante 𝑎 de la ecuación (15) es el valor correspondiente al parámetro de red, que queda 
expresada en términos de parámetros controlados experimentalmente, como se muestra en la 
ecuación (16) tras despejar 𝑎 de la ecuación (15) . 
𝑎 = 𝜆
2ℎ𝑠𝑒𝑛𝜃
 (16) 
En este trabajo, estos estudios por DRX fueron realizados utilizando un difractómetro Bruker D8 
Advance (Figura) de geometría Bragg – Bretano (Figura 18), configuración (θ-θ) 
𝜆 = 1.5418𝑋10−10, radiación Cu-Kα y un detector Lynxeye Bruker (de bandas de silicio), a 
temperatura ambiente y a presión atmosférica. La intensidad de difracción está en función del 
ángulo 2θ, que fue medido en el intervalo de (0,10) grados, es decir, a ángulo bajo, esto para 
comprobar la presencia de nanoestructuras inducidas mediante la autoorganización del 
surfactante CTAB. 
 
 
 
 
 
Figura 18. Difractómetro Bruker D8 Advance de geometría Bragg Brentano (derecha). Esquema de la geometría Bragg 
– Brentano (izquierda). 
En el capítulo 3.1 de este trabajo se presentan los difractogramas correspondientes, en los cuales 
se pueden observar los patrones de difracción, asociados a las nanoestructuras inducidas por el 
surfactante CTAB. En el capítulo también se presentan difragtogramas los cuales no fueron 
realizados a ángulo bajo, con la intención de confirmar la formación de la fase anatasa presente en 
las películas de TiO2 tras un tratamiento térmico. 
1.6.2 Espectroscopia de Absorción UV-Visible 
Un fotón que incide sobre una molécula puede ser dispersado elásticamente, es decir, su dirección 
de propagación se modifica, o bien, puede ser absorbido, es decir, transfiere energía a la molécula. 
Una molécula, en general, se encuentra en estados asociados a cantidades discretas de energía. 
Los principales niveles de energía están determinados por las distribuciones espaciales de sus 
 
Tubo de RX 
Detector 
Muestra 
25 
 
electrones y se denominan niveles de energía electrónicos; a estos se les superponen los niveles 
de vibración, que indican los diferentes modos de vibración característicos de la molécula [4]. 
El cambio entre dos niveles de energía que experimenta una molécula se denomina transición, y 
ésta ocurre cuando la molécula absorbe la energía requerida para mover un electrón de un orbital 
a otro. Esto se expresa en la ecuación (1), la cual afirma que la luz solo puede ser absorbida si 𝐸1 
es el nivel de energía de la molécula antes de la absorción y 𝐸2 es el nivel de energía alcanzado 
después de la misma. 
𝐸2− 𝐸1 =
ℎ𝑐
λ
 (17) 
Las bandas de absorción que presentan los compuestos orgánicos en las regiones UV-Visible 
(desde longitudes de onda con valores aproximados de 280 nm hasta 800 nm) se asocian a 
transiciones electrónicas, haciendo que la espectroscopia de absorción óptica constituya un 
instrumento útil para el estudio de las moléculas sin importar su dimensión. 
 Los electrones involucrados en dichas transiciones corresponden a aquellos débilmente atraídos 
por el conjunto de núcleos atómicos que componen a las moléculas, y cuyos estados pueden ser 
descritos a través de orbitales moleculares que se expresan como combinaciones de orbitales 
atómicos de la capa de valencia. 
Para analizar la absorción de luz por parte de moléculas poliatómicas, se emplea la teoría de 
orbitales moleculares, donde, son definidos dos estados discretos u orbitales moleculares de 
importancia, el orbital molecular ocupado más alto, HOMO, que es el orbital con mayor energía 
que tiene electrones y el orbital desocupado más bajo, LUMO, que es el orbital de más baja 
energía que no contiene electrones. La diferencia de energía entre el HOMO y el LUMO se 
relaciona con la energía mínima requerida para excitar un electrón de la molécula. 
Las moléculas orgánicas que contienen un arreglo de átomos con hibridación sp2 forman enlaces 
𝜋 con los átomos vecinos. Los orbitales 𝜋 tienen una distribución espacial tal que los electrones 
se pueden deslocalizar a lo largo de toda la molécula; se dice que este tipo de moléculas poseen 
enlaces dobles conjugados. La separación energética HOMO-LUMO en tales moléculas se reduce al 
aumentar el número de enlaces dobles conjugados [4]. 
Los datos espectrales de absorción en el UV-Visible se suelen presentar como gráficas de 
absorbancia o del logaritmo del coeficiente de extinción versus la longitud de onda de la luz 
incidente. La absorbancia viene del siguiente análisis de la ley de Lambet-Beer, descrita en la 
ecuación (2), donde 𝐼0(𝜈) es la intensidad espectral incidente y 𝑙 es la distancia total que recorre la 
luz en la muestra [26]. 
𝐼(𝜈) = 𝐼0(𝜈)𝑒−𝛼(𝜈)𝑙 (18) 
En la ecuación (2) se observa que, para una frecuencia dada 𝜈, la intensidad espectral disminuye 
exponencialmente con la distancia y esta disminución está determinada por el coeficiente de 
26 
 
absorción 𝛼(𝜈). Tomando el logaritmo de la ecuación (2) se obtiene la absorbancia experimental, 
definida por la ecuación (3): 
𝐴(𝜈) = 𝑙𝑜𝑔10
𝐼0(𝜈)
𝐼(𝜈)
= 𝛼(𝜈)𝑙
2.303
 (19) 
Por lo tanto en ese trabajo la espectroscopia UV-Visible fue usada con el objetivo de controlar que 
no existiera un traslape en las bandasde energía de la antocianina, el TiO2 y el electrolito. A su vez 
se le dio seguimiento a la presencia de la antocianina en el fotoánodo de la DSSC y las 
absorbancias obtenidas permitieron calcular parámetros de transporte eléctrico asociados a los 
efectos fotoconductivos y fotovoltaicos de la DSSC. 
En este trabajo los espectros de absorbancia se obtuvieron empleando un espectrofotómetro 
Thermo Spectronic Genesys 2 (Figura 19), con una precisión de ±1 nm y con un intervalo de 
longitud de onda de 300 a 700 nm. 
 El Genesys 2 cuenta con un porta muestras de ocho espacios para colocar diferentes muestras, 
teniendo en cuenta que la referencia siempre es colocada al inicio, dos lámparas para la 
iluminación en el intervalo UV-Visible (con luz no polarizada) y un fotodetector que determina la 
intensidad de luz que es transmitida, a través de la muestra del material de interés, a distintas 
longitudes de onda. 
 
 
 
 
 
 
Figura 19. Fotografía del Espectrofotómetro Thermo Spectronic Genesys 2(izquierda).Figura Esquema del arreglo 
óptico del Genesys 2 (derecha). 
1.6.3 Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) 
El SEM es óptimo para el estudio de la morfología de superficies, en los materiales. La imagen 
entregada por el SEM se genera por la interacción de un haz de electrones que "barre" un área 
determinada sobre la superficie de la muestra. Este dispositivo está compuesto por una columna 
de electrones la cual lleva alojados en su interior los siguientes elementos: un cañón de electrones 
con un filamento que actúa como fuente de iluminación, un sistema de lentes electromagnéticas 
encargado de focalizar y reducir, a un diámetro muy pequeño el haz de electrones producido por 
el filamento, mientras que un sistema de barrido que hace recorrer el haz de electrones, ya 
focalizado sobre la superficie de la muestra (Figura 20) [26]. Los sistemas de detección permiten 
registrar el resultado de la interacción del haz de electrones con la muestra y transformarlo en una 
Lámpara 
Carro para 
colocar 
 
Porta 
muestras 
Detector 
27 
 
señal eléctrica. El microscopio posee diversos sistemas electrónicos que permiten observar las 
señales eléctricas procedentes de los detectores, en forma de imágenes en un monitor. 
En este trabajo se aprovecharon dos características importantes de la microscopia electrónica de 
barrido. El uso de electrones secundarios, cuya señal se emplea normalmente para obtener una 
imagen de la muestra y proporciona detalles de la topografía de la misma. Y la señal de electrones 
retro dispersados, que proviene de una dispersión elástica (sin transferencia de energía), que está 
compuesta por aquellos electrones que emergen de la muestra con una energía superior a la de 
los electrones secundarios y que nos permite diferenciar átomos pesados de átomos ligeros. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 20. (izquierda)SEM JEOL modelo JSM 5600-LV. En la parte superior de la foto se aprecia el porta muestras, en el 
que son colocadas las muestras para observar en el microscopio.(derecha)Esquema del interior del MEB. 
En este trabajo las imágenes fueron tomadas con un microscopio electrónico de barrido modelo 
JSM 5200 CX a 20kV del Laboratorio Central de Microscopía del Instituto de Física de la UNAM 
(Figura 20). Con estas imágenes se determinó el espesor promedio del conjunto de películas 
depositadas sobre sustrato conductor, así como el tamaño de las nanoparticulas que conforman la 
película de P25. La estadística realizada a estas medidas permitió determinar el grosor y la 
uniformidad de las películas. Este análisis se realizó con ayuda del software DigitalMicrograph. 
 
 
 
 
 
Lentes 
condensadoras 
Fuente de 
electrones 
Haz de 
Electrones 
Detector de 
electrones 
Amplificador 
de electrones 
Muestra 
28 
 
Capítulo 2. Síntesis y Metodología Experimental 
2.1 Síntesis de los materiales del Fotoánodo y Contraelectrodo de la DSSC 
El fotoánodo de la celda (DSSC) que se desarrolla en este trabajo consta de dos películas, las cuales 
ambas son de dióxido de titanio (TiO2), pero que se elaboran siguiendo distintos procedimientos. 
El material para la película mesoporosa, cuya síntesis e incorporación a las DSSC es la aportación 
de este trabajo, es sintetizado mediante el método sol – gel. La otra película, hecha de 
nanopartículas de (P25) es preparada mediante una solución coloidal. Ambas películas fueron 
depositadas mediante la técnica Spin-Coating. 
Síntesis de TiO2 mediante el método Sol-Gel (Película Mesoporosa) 
Para la síntesis de Dióxido de Titanio (TiO2 ) mediante el método Sol-Gel, se usó como precursor 
Tetrabutilortotitanato (Ti(OCH2CH2 CH2 CH3) 4), como estabilizador Dietanolamina (NH(C2 H4 OH) 2 ), 
como disolvente Etanol (C2 H6O), y para promover las reacciones de hidrólisis y condensación en el 
precursor se usó agua desionizada (H2 O), como co-disolvente y catalizador de la condensación se 
empleó Tetraetilenglicol (HO(CH2 CH2 O) 3 CH2 CH2 OH))(Figura 21). Para inducir la formación de 
nanoestructuras en las películas, se agregó el surfactante iónico Cetil Trimetil Amonio de Bromo 
(CTAB) ((C16 H33 )N(CH3) 3Br) durante la síntesis. Todos los reactivos fueron adquiridos en Aldrich y 
fueron usados sin mayor purificación (Figura 22). 
 
 
 
 
 
Ti(OCH2 CH2 CH2 CH3)4 NH(C2 H4 OH) 2 C2 H6 O H2 O HO(CH2 CH2 O) 3CH2 CH2OH 
1 1 12.24 1 1.1 
 
Figura 21. Esquema de la primera parte de la síntesis de las películas, con sus razones molares asociadas. 
 
 
 
 
 
 
Síntesis 
Solución 1: Se disuelven la 
Dietanolamina y el 
Tetrabutilortotitanato en 
Etanol, esta se agi ta dura 
te dos horas . 
Solución 2: 
Se disuelve Agua 
Desti lada en 
Etanol . 
Solución 3: Se agrega gota 
agota la solución 2 en la 
solución 1, a l terminar se añade 
el Tetraetilengl icol y se agi ta 
durante una hora 
29 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 22. Esquema de la segunda parte de la síntesis de las películas. 
Al terminar la síntesis, se limpian con acetona, agua desionizada y ethanol dos sustratos de vidrio 
recubiertos con películas conductoras transparentes de óxido de indio estaño (ITO), sobre las que 
fueron depositadas las películas sobre una superficie aproximada de (2.5cm X 2.8cm) por la 
técnica de Spin – Coating. Para ello se usó un spin-coater SCS G6P-8, en condiciones de velocidad 
de giro de 1200rpm durante 20 segundos (Figura 23). Una vez depositadas ambas películas 
recibieron un tratamiento térmico en un Horno de alta Temperatura Scorpionscientific (Figura 23). 
En el primer substrato es depositada la película mesoporosa (ITO/TiO2 /CTAB), la cual lleva un 
tratamiento térmico guiado mediante la rampa de calentamiento que se observa en la gráfica de 
la figura 24. Consiste en un incremento de 50°C cada 30minutos hasta llegar a 450°. Esto se hace 
para mantener los mesoporos presentes en la película rodeados de critalitos en fase anatasa y 
eliminar el surfactante. 
En el segundo substrato es depositada la película de (TiO2 ) (sin que se haya incorporado el CTAB), 
a la cual se le realiza un tratamiento térmico de 500°C durante horas. Esto se hace para inducir la 
formación de la fase anatasa en la película de TiO2 . 
 
. 
 
 
Figura 23. (izquierda) Se observa el spin-coater SCS G6P-8, la base de centrifugado y se observa una película 
depositada. (Derecha) Fotografía del horno donde se llevan acabo los tratamientos térmicos. 
 
Pipeta II: A la solución 3 se le incorporó CTAB en una proporción de 4% en peso, 
respecto al peso de la solución inicial. Se agitó durante cinco minutos. El CTAB induce 
el ordenamiento nanométrico del materia l durante el depós i to (mismo que fue 
determinado mediante Difracción de Rayos X). La solución se usó para deposi tar las 
pel ículas de TiO2/CTAB. 
Pipeta I: La solución 3 se usó directamente para depositar las películas de TiO2 amorfas 
 
30 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 24. Esta gráficadescribe el tratamiento térmico dado a la película mesoporosa de TiO2, con objeto de 
mantener la nanoestructura en una película que presenta la fase anatasa. 
2.2 Preparación de dióxido de titanio (TiO2) (película de nanopartículas P25) 
Se preparó una solución compuesta por agua desionizada (H2 O) y ácido acético (C2 H4 O2 ), con un 
pH 2.5. A esta mezcla se le agregaron nanopartículas P25 (TiO2 ). Se agitó mediante ultrasonido 
durante 30 min para obtener una solución coloidal. Posteriormente se agregó una gota de 
surfactante Triton X-100, para disminuir la formación de agregados de partículas, y se agitó 
magnéticamente durante 2hrs (Figura 25). 
La solución coloidal que se obtiene es depositada, a temperatura ambiente, mediante Spin – 
Coating (Figura 26) a 1200 rpm durante 20 segundos. Esta solución es depositada sobre tres 
diferentes sustratos, en el primero la película de P25 se encuentra en contacto directo con el 
substrato conductor (ITO/P25), el segundo (ITO/TiO2 /P25) y el tercer (ITO/TiO2 CTAB/P25) 
substrato llevan depositadas previamente una película de TiO2 sintetizada por método Sol – Gel. 
Una vez depositadas las películas de P25 es realizado un tratamiento térmico de 2 horas a 450°C, 
esto es para eliminar impurezas orgánicas y que la película de P25 quede bien adherida al 
sustrato. Cada uno de los sustratos anteriores será usado como fotoánado de las DSSC. En este 
trabajo se estudiaron los efectos de incorporar la película de TiO2 (Anatasa) y la película 
mesoporosa de TiO2 en las DSSC. 
 
 
 
 
 
Figura 25. Esquema de preparación para obtener la solución coloidal de P25 con sus razones molares asociadas. 
H2 O C2 H4 O2 P25 
1 1 11.81 
Síntesis 
Solución 1: Se disuelven 
agua desionizada y ácido 
acético (C2H4O2) esta se 
agi ta dura diez minutos . 
Solución 2: A la 
solución 1 se le agrega 
polvo de P25 se agi ta 
con ul trasonido 30 
minutos . 
Solución 3: A la solución 2 se le 
agrega una gota de Tri ton X-
100, dejando agi tar durante 
2hrs . 
 
0 100 200 300 400 500 600 700
0
100
200
300
400
500 Rampa de calentamiento
T(
°C
)
t (min)
A
B
C
31 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 26. (a) Solución coloidal de P25. (b)Película de P25 depositada mediante Sping – Coating. 
2.3 Obtención del Colorante Sensibilizador (Antocianina) 
Al colorante se obtuvo a partir de un extracto de frambuesas filtrado con un filtro de jeringa con 
tamaño de poro de 0.45 µm. Posteriormente, mediante impregnación, las moléculas del colorante 
(antocianinas), que le dan a las frambuesas su color rojo, quedan adheridas a las películas de TiO2 . 
Este colorante fungirá como sensibilizador del dispositivo. La impregnación se lleva a cabo 
sumergiendo el fotoánodo, en su totalidad, en el extracto de frambuesa durante 4 horas. 
Posteriormente el exceso de colorante y las impurezas serán removidas con etanol (Figura 27). 
 
 
 
 
 
 
Figura 27. En las fotos se puede observar, (a) el método por el cual se filtra el extracto de frambuesa mediante un 
filtro de jeringa. (b) Solución de frambuesa en la que posteriormente será sumergido el fotoánodo de la DSSC. 
2.4 Preparación de la Solución Electrolítica 
La solución electrolítica se obtuvo mediante la mezcla de Iodo (I) y Ioduro de Potasio (IK) disueltos 
en etilenglicol (HOCH2 CH2 OH), bajo agitación magnética durante 30 minutos. 
 
 
 
 
Figura 28. Solución Electrolítica aplicada a la DSSC con sus razones molares asociadas. 
I IK HOCH2 CH2 OH 
1 7.6 364 
(a) (b) 
(a) (b) 
32 
 
2.5 Ensamble de la DSSC 
Para ensamblar las celdas se preparó adicionalmente el substrato conductor que realizará la 
función de contraelectrodo en las DSSC (Figura 29). El contraelectrodo consta de una película de 
pintura de carbón (Pintura conductiva de grafito base agua, Emsduasum), la cual fue depositada 
mediante Spin-Coating sobre un sustrato de vidrio recubierto con una película de ITO. El 
contraelectrodo recibió posteriormente un tratamiento térmico de 200°C durante una hora para 
evaporar el agua y disolventes presentes, así como para eliminar impurezas y mejorar la 
adherencia de la película al sustrato. 
Una vez preparados el fotoánodo y el contraelectrodo, sobre la superficie del fotoánodo se 
agregan 5 µl de la solución electrolítica. Inmediatamente después se ponen en contacto el 
fotoánodo y el contraelectrodo, y se sujetan con una pinza metálica. Finalizando así el armado de 
las DSSC (Figura 30). 
 
 
 
Figura 29. (a) Contralectrodo y (b) Fotoánodo que conforman la DSSC. 
 
 
 
 
Figura 30. En las fotografías se presentan la tres DSSC caracterizadas en este trabajo. 
 
Muestra Área (cm2) 
ITO/P25 6.2 
ITO/TiO2/P25 4 
ITO/TiO2/CTAB/P25 4.4 
Tabla 1. Área de las DSSC. 
 
 
 
 
 (ITO/P25) (ITO/TiO2/P25) (ITO/TiO2/CTAB/P25) 
(a) (b) 
33 
 
2.6 Procedimientos y dispositivos experimentales para la determinación de los parámetros 
fotovoltaicos y fotoconductivos de las DSSC 
Para estudiar la relación que existe en las DSSC entre el incremento del voltaje a circuito abierto y 
la intensidad con que son iluminadas se utiliza el arreglo experimental que muestra la (Figura 30). 
El esquema describe el arreglo electrónico que permite medir, con un multímetro (LISTED 
MULTIMETER 1T10), el voltaje 𝑉𝑂𝑂 máximo generado en la DSSC al ser iluminada con luz láser de 
longitud de onda de 532nm. Las potencias de iluminación que se utilizaron van de los 100mW a los 
700mW. El láser utilizado es un Láser Diodo Genesis 532 1000-5, Coherent. La potencia del láser es 
controlada desde una PC mediante el programa OPSL. La iluminación se hizo homogéneamente 
sobre toda la muestra con ayuda de un arreglo óptico de lentes y espejos. 
 
 
 
 
 
 
Figura 31. Diagrama de para medir el 𝑽𝑶𝑶 máximo que se produce en la DSSC al ser iluminada con 𝝀 = 𝟓𝟑𝟐 𝒏𝒏. 
El tiempo de vida media 𝜏 de los portadores de carga en las DSSC se obtiene con la medición de la 
rapidez con la que el voltaje a circuito abierto disminuye en función del tiempo 𝑡, cuando la DSSC 
deja de ser iluminada. El estudio se realiza siguiendo el esquema de la (Figura 32). Primero la 
muestra es iluminada con luz láser de longitud de onda de 532nm, usando diferentes potencias, 
que van de los 100mW a 1000mW, como se observó un comportamiento similar en el decaimiento 
para las diferentes potencias a las que se iluminaron las celdas, finalmente se tomó la potencia 
máxima de iluminación que fue de 1000mW. Cuando en la DSSC genera el voltaje VOC máximo, la 
DSSC se deja de iluminar y se registran los valores del VOC cada 10 segundos durante 3 minutos 
utilizando un multímetro (LISTED MULTIMETER 1T10). 
 
 
 
 
 
Figura 32. Esquema del circuito para medir la disminución del 𝑽𝑶𝑶 como función del tiempo de la DSSC. 
DSSC 
Láser 
Arreglo óptico para 
iluminación 
uniforme de la 
DSSC 
𝑽𝑶𝑶 
DSSC 
𝑽𝑶𝑶 
34 
 
La corriente 𝑖 y el voltaje 𝑉 fotogenerados en la DSSC son medidos conforme al esquema del 
arreglo experimental de la (Figura 33).La 𝑖 es medida en serie y 𝑉 es medido en paralelo. Las 
mediciones del voltaje son realizadas con un multímetro (LISTED MULTIMETER 1T10), mientras 
que las mediciones de corriente se realizaron con un multímetro digital. Las mediciones se 
realizaron iluminando homogéneamente la muestra completa mediante un arreglo óptico y un 
láser de longitud de onda de 532nm, a una potencia 700mW. Además, el circuito se encuentra 
conformado por una resistencia variable que va de 0Ω a los 1000Ω, con la que se controlan los 
cambios de los valores de la corriente y del voltaje al variar la corriente. Estas mediciones 
describen el comportamiento del incremento de la densidad de corriente con respecto a voltaje 
fotogenerado, y permiten obtener los valores intermedios entre la densidad de corriente en corto 
circuito y el voltaje a circuito abierto 
 
 
 
 
 
 
Figura 33. Diagrama para medir la densidad de corriente en corto circuito (cuando