INFORME PROYECTO FISICA 2.docx

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Industrial y de Sistemas

Área de Ciencias Básicas CELDAS SOLARES SENSIBILIZADAS CON COLORANTES

Integrantes:

Chumpitaz Vera, Junior Eduardo Roque Ruiz, Johana Lizeth Sucno Ayma, Roxana Taipe Vargas, Josselin Curso: Física II Profesor:

Tafur Anzualdo, Gelacio

2013

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PROTOTIPO DE CELDAS SOLARES SENSIBILIZADAS CON COLORANTES

INDICE INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 3  ANTECEDENTES ...................................................................................................................... 5 1.

OBJETIVO ....................................................................................................................... 7

2.

FUNDAMENTO TEÓRICO ........................................................................................... 7 2.1 ENERGÍA RENOVABLE ...................................................................................................... 7 2.2 ENERGÍA SOLAR ............................................................................................................... 7 2.3 CELDAS SOLARES ............................................................................................................. 7 2.4 PANELES SOLARES ........................................................................................................... 8 2.5 COLORANTES ................................................................................................................... 8

3. CELDAS SOLARES SENSIBILIZADAS POR COLORANTES  ................................. 10 3.1 CONCEPTO..................................................................................................................... 10 3.2.

VENTAJAS DE LAS CELDAS SOLARES .......................................................................... 2

3.3.

ELEMENTOS DE LA CELDA SOLAR .............................................................................. 3

3.4.

CONSTRUCCIÓN DE LA CELDA SOLAR ....................................................................... 3

4. EXPLICACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL CELDA SOLAR ....................................................... 4 5. APLICACIONES ........................................................................................................................... 5 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................................................... 7 7. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................ 9

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INTRODUCCIÓN

Como ya es conocido, el empleo de las fuentes renovables de energía, así como su empleo racional, cobra cada vez más importancia en la actualidad debido al agotamiento de las reservas de combustibles fósiles y a los daños medioambientales que produce el ritmo actual de su consumo. Denominamos Energías renovables a las fuentes de energía que se obtienen de medios naturales en teoría inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que contienen o porque son capaces de regenerarse por medios naturales. Entre las energías renovables se cuentan la Biomasa, Biogás, Hidroeléctrica, Eólica, Solar, Geotérmica y maremotriz. La energía solar es la energía obtenida mediante la captación de la luz y el calor emitidos por el Sol. Son Instalaciones que transforman la radiación solar en energía eléctrica, mediante paneles fotovoltaicos, para su consumo aislado de la red de distribución, pudiendo contar el sistema con acumulación en baterías. Desde que surgió se le catalogó como la solución perfecta para las necesidades energéticas de todos los países debido a su universalidad y acceso gratuito ya que, como se ha mencionado proviene del sol. Para los usuarios el gasto está en el proceso de instalación del equipo solar (placa, termostato, entre otras). Este gasto, con el paso del tiempo, es cada vez menor por lo que no nos resulta raro ver en la mayoría de las casas las placas instaladas. Podemos decir que no contamina nuestro medio ambiente; además, es de captación directa y las maquinarias son de fácil mantenimiento. La radiación solar que alcanza la Tierra puede aprovecharse por medio del calor que produce a través de la absorción de la radiación ya sea en dispositivos ópticos o de otro tipo. Es una de las llamadas energías renovables, particularmente del grupo no contaminante, conocido como energía limpia o energía verde, si bien, al final de su vida útil, los Página 3

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panelesfotovoltaicos pueden suponer un residuo contaminante difícilmente reciclable al día de hoy. La conversión directa de la radiación solar sobresale por ser esta fuente la más ampliamente distribuida en el planeta, además de estar considerada prácticamente inagotable. La energía fotovoltaica, o sea, la transformación directa en energía eléctrica mediante el uso de las celdas solares, reviste gran importancia futura y resulta muy atractiva. Por todo lo anterior, las celdas solares, elemento clave en los sistemas fotovoltaicos, son intensamente investigadas.

Las llamadas celdas solares sensibilizadas (DSSC) o celdas constituyen una variante mucho menos costosa, en comparación con las tradicionales de silicio o de estado sólido en general, para la conversión fotovoltaica. Estas celdas están constituidas por un electrodo de un óxido semiconductor poroso, en general TiO2 nanocristalino, recubierto con una monocapa de un compuesto orgánico que actúa como sensibilizador, ya que el TiO2 (entre otros óxidos) es transparente a la luz visible. Esta monocapa, a diferencia del TiO2, es capaz de absorber un rango amplio del espectro solar. En estas celdas se usa un electrolito que contiene el par redox I -/I3- en un solvente orgánico, el que penetra en toda la superficie interior del electrodo y contacta al fotoelectrodo.  Además, han logrado una eficiencia de conversión mayor de 10 %, a un costo muy inferior al de otros dispositivos fotovoltaicos de similar eficiencia.

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ANTECEDENTES

La energía solar ha sido utilizada desde hace muchos años con diferentes objetivos como: en la agricultura, hornos solares o para generar vapor para maquinaria, calefacción, entre muchos otros ejemplos. Pero el científico francés Alexandre Edmon Becquerel, experimentando con una pila electrolítica sumergida en una sustancia de las mismas propiedades, observó que después de exponer a la luz generaba más electricidad, así fue que descubrió el "efecto fotovoltaico" en 1839 que consiste en la conversión de la luz del sol en energía eléctrica. En 1885 el profesor W. Grylls Adams experimentó como el selenio (elemento semiconductor) reaccionaba con la luz y descubrió que se generaba un flujo de electricidad conocida como “fotoeléctrica”

 Albert Einstein investigo más a fondo sobre el efecto fotoeléctrico y descubrió que al iluminar con luz violeta (que es de alta frecuencia) los fotones pueden arrancar los electrones de un metal y producir corriente eléctrica. Esta investigación le permitió ganar el Premio Nobel de Física en 1921. El efecto fotovoltaico fue reconocido por primera vez en 1839 por el físico francés Alexadre-Edmond Becquerel. Sus estudios sobre el espectro solar, magnetismo, electricidad y óptica son el pilar científico de la energía fotovoltaica. En 1883 el inventor norteamericano Charles Fritts construye la primera celda solar con una eficiencia del 1%. La primera celda solar fue construida utilizando como semiconductor el Selenio con una muy delgada capa de oro. Debido al alto costo de esta celda se utilizó para usos diferentes a la generación de electricidad. Las aplicaciones de la celda de selenio fueron para sensores de luz en la exposición de cámaras fotográficas. La celda de Silicio que hoy día utilizan proviene de la patente del inventor norteamericano Russell Ohl. Fue construida en 1940 y patentada en 1946. Página 5

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La época moderna de la celda de Silicio llega en 1954 en los Laboratios Bells.  Accidentalmente experimentando con semiconductores se encontró que el Silicio con algunas impurezas era muy sensitivo a la luz.

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1. OBJETIVO

Convertir la energía solar en energía eléctrica mediante celdas para la electrificación de zonas rurales. 2. FUNDAMENTO TEÓRICO

2.1 ENERGÍA RENOVABLE

Se denomina energía renovable a la energía que se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales. Entre las energías renovables se cuentan la energía eólica, energía geotérmica, energía hidroeléctrica,  energía mareomotriz, energía solar, energía electromotriz, la biomasa y los biocombustibles . 2.2 ENERGÍA SOLAR

Se trata de recoger la energía del sol a través de paneles solares y convertirla en calor el cual puede destinarse a satisfacer numerosas necesidades. Por ejemplo, se puede obtener agua caliente para consumo doméstico o industrial, o bien para dar calefacción a hogares, hoteles, colegios o fábricas. También, se podrá conseguir refrigeración durante las épocas cálidas. En agricultura se pueden conseguir otro tipo de aplicaciones como invernaderos solares que favorecieran las mejoras de las cosechas en calidad y cantidad, los secaderos agrícolas que consumen mucha menos energía si se combinan con un sistema solar, y plantas de purificación o desalinización de aguas sin consumir ningún tipo de combustible. Con este tipo de energía se podría reducir más del 25 % del consumo de energía convencional en viviendas de nueva construcción con la consiguiente reducción de quema de combustibles fósiles y deterioro ambiental. La obtención de agua caliente supone en torno al 28% del consumo de energía en las viviendas y que éstas, a su vez, demandan algo más del 12% de la energía en España. 2.3 CELDAS SOLARES

Las células o celdas solares son dispositivos que convierten energía solar en electricidad, ya sea directamente vía el efecto fotovoltaico, o indirectamente mediante la previa conversión de energía solar a calor o a energía química. La forma más común de las celdas solares se basa en el efecto fotovoltaico, en el cual la luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia del fotovoltaje o del potencial entre las capas. Este Página 7

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voltaje es capaz de conducir una corriente a través de un circuito externo de modo de producir trabajo útil. Existen las celdas solares convencionales tales como las basadas en silicio, las cuales se encuentran entre las más difundidas en la actualidad. Asimismo, existen celdas solares basadas en elementos compuestos, como el telurio de cadmio o telurio de azufre, entre otros tipos de celdas solares (usados fundamentalmente a escala de laboratorio). 2.4 PANELES SOLARES

En general, la energía solar se puede describir como la energía que se recibe de la luz del sol y se convierte en energía eléctrica para el uso humano. Es más barata y fiable ya que el sol es fácilmente disponible, por otra parte, los paneles solares son elementos construidos cuya finalidad principal es la de convertir la energía solar en energía eléctrica. Se construyen a partir de un elemento llamado silicio, el cual interviene en el proceso de creación de energía eléctrica a partir de la luz del sol. La energía solar puede incidir de forma directa o indirecta. En los días nublados a contrario de lo que se cree se puede producir energía perfectamente. Las células fotovoltaicas se fabrican con semiconductores. Los semiconductores son elementos que tienen una conductividad eléctrica muy pequeña, pero superior a la de un aislante. Los más utilizados son los de silicio, este es un material muy abundante, de ahí su bajo costo. Cuando los rayos del sol inciden sobre las células, la unión P  – N de los semiconductores de ella junto con su metal conductor ayuda a producir energía. En esta coyuntura, la unión PN son cargas positivas y negativas que ayudan a producir corriente eléctrica, debido a una diferencia de potencial que se crea cuando se ilumina la célula. Cuando se cortocircuita la célula (es decir, se unen las regiones P y N mediante un conductor con resistencia nula) los electrones de la región N se desplazan a través del conductor y se unen con los huecos de la región P produciendo electricidad gracias al flujo de electrones, esta corriente se mantendrá mientras la célula esté iluminada. 2.5 COLORANTES

Un colorante es una sustancia que es capaz de teñir las fibras vegetales y animales. Los colorantes se han usado desde los tiempos más remotos, empleándose para ello diversas materias procedentes de vegetales

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(cúrcuma,  índigo natural,  etc.) y de animales (cochinilla, moluscos,  etc.) así como distintos minerales. En química, se llama colorante a la sustancia capaz de absorber determinadas longitudes de onda de espectro visible. Los colorantes son sustancias que se fijan en otras sustancias y las dotan de color de manera estable ante factores físicos/químicos como por ejemplo: luz, lavados, agentes oxidantes, etc. Denominaciones de los colorantes: 

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Denominación genérica Denominación química Código del "Colour Index 1924 (1ª edición) Código del "Colour Index 1956 (2ª edición) Código del Schultz

Clasificación química: 

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Nitroso y nitrocolorantes Colorantes azoicos o azocolorantes Colorantes del trifenilmetano Colorantes de la antraquinina Colorantes indigoides

Colorantes Industriales usados como aditivos catalogados por la industria (E100>E200) E100 - Curcuminas. E111 - Naranja G.G.N.* E100i - Curcumina. E120 - Cochinilla o ácido carmínico. E100ii - Cúrcuma. E121 - Rojo cítrico 2 E101 - Riboflavina y Riboflavina-5'-fosfato. E122 - Azorrubina. E101a - Riboflavina y E123 - Amaranto. Riboflavina-5'-fosfato. E124 - Rojo cochinilla A, E102 - Tartracina. Rojo Ponceau 4R. E103 - Crisoína* E126 - Ponceau 6R * E104 - ]sol]. E127 - Eritrosina. E105 - Amarillo sólido* E128 - Rojo 2G E106 - Fosfato de E129 - Rojo Allura 2C. Lactoflavina E130 - Azul de E107 - Amarillo 2G antraquinona. E110 - Amarillo anaranjado E131 - Azul patentado V. S. 

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E132 - Indigotina,  carmín índigo. E133 - Azul brillante FCF. E140 Clorofilas y Clorofilinas. E141 - Complejos cúpricos de clorofilas y clorofilinas. E142 - Verde ácido brillante BS, verde lisamina. E150 - Caramelo. E151 - Negro brillante BN. E152 - Negro 7984* E154 - Marrón FK. Colorante amarronado. E155 - Marrón HT. E153 - Carbón vegetal. E160 - Carotenoides.

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E160b - Bixina. E160c - Capsantina. E160d - Licopeno. E161 - Xantofilas. E162 - Betanina o rojo de remolacha. E163 - Antocianinas. E170 - Carbonato de calcio. E171 - Dióxido de titanio. E172 - Óxidos e hidróxidos de hierro. E173 - Aluminio. E174 - Plata. E175 - Oro. E180 - Pigmento Rubí o Litol-rubina BK.

Otros colorantes catalogados por la industria, respecto al  catálogo E (E579>E585) 

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E579 - Gluconato ferroso E585 - Lactato ferroso

Compuestos colorantes:

Pueden definirse como una paleta de colores, el color, por ejemplo el anaranjado dorado estaría compuesto por varias mezclas a x proporciones que dan ésa tonalidad. 3. CELDAS SOLARES SENSIBILIZADAS POR COLORANTES

3.1 CONCEPTO

Inventadas en 1991 en Suiza , las celdas solares sensibilizadas con colorante (CSSC) provén una económica y técnicamente alternativa a los actuales sistemas fotovoltaicos convencionales de alto costo de producción y comercialización , pues usan relativamente baratos materiales para su elaboración como vidrio, nanocristales semiconductores, y otros como colorantes y electrolitos que son medianamente caros, pero con tendencia a disminuir en precio cuando estas celdas se produzcan en masa como ya se Página 10

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empieza a ver, sus niveles de eficiencia bordean actualmente el 10% mientras continua en investigación. Las celdas solares nanocristalinas sensibilizadas con colorante (DSSC, dyesensitized solar cell) son un nuevo tipo de celda fotovoltaica, donde el material que absorbe la radiación electromagnética, dióxido de titanio, en un colorante orgánico, se encuentra absorbido a otro material, por el cual se propagarán los electrones generados. En este tipo de dispositivos tiene lugar un fenómeno semejante al de la fotosíntesis, puesto que en ambos procesos intervienen colorantes orgánicos y, tanto en uno como en otro, como ya se expresó con anterioridad, la absorción de fotones y el transporte eléctrico tiene lugar en materiales diferentes y ocurren por separado. En las celdas solares DSSC el donante de electrones serían el electrolito triyoduro, el aceptor de electrones nanopartículas de TiO2 y el absorvedor de fotones el colorante natural; mientras que en la fotosíntesis, el agua, las moléculas de dióxido de carbono y la clorofila. El desarrollo de celdas solares orgánicas, basadas en el mecanismo de sensibilización espectral de una red nanoestructurada de óxido semiconductor, es un área de investigación que ha mostrado una gran actividad en los últimos tiempos. El interés científico y tecnológico en éste tipo de sistemas se debe a la posibilidad de obtener dispositivos fotovoltaicos que compitan en costo y eficiencia, como alternativa a las celdas inorgánicas tradicionales. El principio de funcionamiento de estas celdas se basa en la inyección de cargas desde el estado excitado de un colorante hacia la banda de conducción de un óxido semiconductor, y la subsiguiente regeneración del colorante por un reductor de sacrificio. Al presente se ha obtenido una eficiencia de conversión de energía comparable al de las celdas de silicio convencionales. Sin embargo, la misma puede ser mejorada mediante la síntesis de nuevas estructuras moleculares o por medio del diseño de celdas solares que utilicen electrolitos de baja presión

3.2.

VENTAJAS DE LAS CELDAS SOLARES

Haciendo una comparación con las celdas de silicio, convencional se puede encontrar las siguientes ventajas: 1.-La celda DSSC tiene diversas formas que pueden ser utilizadas en múltiples aplicaciones (figura n°1) Página 2

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2.-Se construyen a bajas temperaturas a comparación con las celdas de silicio. 3.-Son fácil de reciclar. 4.-Son ligera. 5.-Tienen costos de manufactura bajos en comparación con las celdas de silicio. Figura n°1 3.3.

ELEMENTOS DE LA CELDA SOLAR      

3.4.

Vidrio conductor (sn2 , F) Electrodo (ZnO, Ti 2 O 7 , CuO) Colorante N719, D7, D5 Electrolito: I/I3 Contra electrodo(Pt) Pintura de plata

CONSTRUCCIÓN DE LA CELDA SOLAR

Para la realización del experimento se hizo lo siguiente: 1. En el sustrato de vidrio conductor, el cual se utilizara como electrodo, se la añade una película de dióxido de titanio, para nuestro experimento el área de la película fue de 0.5x0.5 milímetro, que es nuestro semiconductor.(Figura n°1) Figura n°1 2. Este sustrato de vidrio se coloca y se deja sumergido en el colorante aproximadamente 14 horas para que el colorante se adhiera a la superficie del dióxido de titanio.(Figura n°2)

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Figura n°2 3. En otro sustrato de vidrio conductor se depositó el metal platino; el cual se utilizara como contra electrodo.(Figura n°3)

Figura n°3 4. Se puso en contacto el electrodo y el contra electrodo y se le añadió el electrolito líquido. 5. En los extremos de los sustratos electrodo y contra electrodo se coloca pintura de plata para cerrar el circuito.(figura n°4)

Figura n°4

4. EXPLICACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL CELDA SOLAR 1. El colorante pasa de un estado basal o fundamental a un estado excitado mediante la absorción de un fotón. 2. Al desexcitarse, este colorante cede un electrón al semiconductor el cual pasa a través de una banda prohibida (band gap) para estar en la banda de conducción y emigrar a través del electrodo (ánodo) hacia la parte externa. 3. Por otro lado, la especie oxidada del colorante reacciona con el yoduro, quien reduce al colorante y oxidar este yoduro a la especie I 3Esta especie, a su vez, se reduce por los electrones que provienen del cátodo. Página 4

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5.  APLICACIONES Las aplicaciones de celdas solares son aplicaciones que se le dan a un tipo de generador de energía nuevo (que en realidad no es nuevo pero sí lo es si hablamos desde el momento en el cual se comenzó a implementarlo). Este tipo de generador y acumulador de energía, que son las celdas solares, tienen un montón de aplicaciones que les podemos dar que están a la orden del día a día. Cuando hablamos de celdas solares básicamente, para aquellos que no están informados sobre lo que esto es, estamos hablando de un tipo de estructura que están realizadas en base a metales que tienen la cualidad de poder absorber la luz solar. Las celdas solares forman parte de una nueva estructura a la que denominamos una estructura ecológica. Esta estructura de la cual estamos hablando se esta empezando a implementar en la arquitectura de las casa y de algunos edificios que tienen como fin primero el de ser ecológicos y Página 5

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ambientalmente amigables ya que implican una no contaminación, ya que gracias a que tienen y cuentan con las aplicaciones de celdas solares son consideradas un nuevo estilo de infraestructuras. Las aplicaciones de celdas solares como mencionamos anteriormente son muchísimas y es por ello que aquí vamos a enumerar solamente algunas de ellas, por que sus utilidades son in finitas. Principalmente podemos hablar de las aplicaciones de celdas solares en tareas domésticas, aquí podemos hablar de que, la energía que absorben las celdas solares sirven también para realizar tareas como lavar, planchar, encender equipos tecnológicos etcétera. es decir que la energía que nos proveen las celdas solares es sumamente útil para ser utilizada en el ceno de un hogar que tenga todo lo necesario para serlo (cuando mencionamos que tenga todo lo necesario, no estamos refiriendo a cocina por ejemplo, televisión, computador, plancha, equipo de música etcétera), esas son las aplicaciones de celdas solares que les podemos dar en el ámbito hogareño. Por otro lado también podemos hablar de aplicaciones de celdas solares que se encuentren fuera de este ámbito, y que se encuentren en un ámbito más laborioso, como por ejemplo en las fábricas. En las fábricas las aplicaciones de celdas solares son muchísimas más, y podemos decir que dependen algunas de ellas exclusivamente de las celdas solares. En las fábricas las celdas solares sirven como único generador de energía en algunos casos, y es por ello que tomamos este efecto como un ejemplo, que tiene que ser copiado por muchas fábricas que todavía no tengan ni cuenten con las aplicaciones de las celdas solares como únicas generadores de energía. Cuando mencionamos la frase que son “únicas generadoras de energía”, nos estamos refiriendo a que ellas son las que

proveen de energía eléctrica a toda la maquinaria con la cual funcionan estas industrias.

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Entre las aplicaciones de celdas solares, también encontramos, el hecho de ser generadoras de energía en ciudades enteras, cómo por ejemplo las ciudades que han tenido la delicadeza de dedicarse al cuidado del ambiente bajo todas las normas de la palabra, ya que además de utilizar las aplicaciones de celdas solares, utilizan otros medios que no tienen que ver con el aprovechamiento de la luz solar, si no que por ejemplo usan a la biomasa como generadora de gas, y otros. Las aplicaciones de celdas solares como estamos viendo son muchísimas ya que tienen la capacidad de generar energía tanto en un hogar, como en toda una ciudad ó una fabrica, es así como podemos concluir con que las celdas solares son un tipo de elemento que valen la pena ser utilizados y que cada vez más sean adquiridas, por cada ciudadano de este planeta. Las celdas solares tienen una utilidad que puede ser fundamental a la hora de preguntarnos qué podemos hacer para que este mundo en el cual estamos conviviendo muchísimos seres vivos, pueda ser mejor y pueda ser mucho menos perjudicial para nosotros mismos. Y es allí cuando podemos empezar a actuar, ya sea tomando concientización sobre los nuevos inventos ecológicos como las celdas solares o bien haciendo cosas básicas, como no tirar basura en la vía pública y no contaminando de la manera en la que todos sabemos que usualmente se contaminan, ríos, lagos, calles, el mismo aire, etcétera. Las celdas solares son uno de los mejores inventos que podemos mencionar que ha producido el hombre.

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Página 7

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Las celdas imitan a la fotosíntesis natural de las plantas verdes en cuanto a su proceso de absorción de la luz y transferencia de electrones en donde ambos procesos se realizan por separados. La eficiencia de la celda fabricada es muy baja con referencia a la teórica ,cabe señalar que aun no existen estudios lo suficientemente profundos y sustentados acerca de lo mencionado .No obstante, el interés se ha incrementado con los años, se puede decir que en un futuro no muy lejano se llegue a una mejor eficiencia.

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7. BIBLIOGRAFÍA   http://www.perusolar.org/wp-content/uploads/2012/02/6.CELDASSOLARES-DE-OXIDO-DE-TITANIO-COMERCIAL.pdf   http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lqu/alvarado_r_sg/ capitulo3.pdf   http://www.cubasolar.cu/biblioteca/Ecosolar/Ecosolar16/HTML/articul o01.htm http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=67425161006   http://www.mty.itesm.mx/die/ddre/transferencia/Transferencia47/eli03.htm   http://www.perusolar.org/wp-content/uploads/2012/02/3.MEJORAEN-LA-EFICIENCIA-DE-LAS-CELDAS-SOLARES-DE-ZNOSENSIBILIZADAS-CON-COLORANTE.pdf   http://upo.es/portal/impe/web/contenido/7b7cf6c8-7a68-11e1-a1123fe5a96f4a88   http://www.conicet.gov.ar/new_scp/detalle.php?keywords=glifosato&i d=32643&congresos=yes&detalles=yes&congr_id=773397   http://repositorio.bib.upct.es/dspace/bitstream/10317/1869/1/pfm271. pdf

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