Biosíntesis de nanopartículas semiconductoras fluorescentes tipo Core/Shellde CdS/CdSe y su aplicación en Quantum Dot Sensitized Solar Cells

Abstract

En el último tiempo ha surgido con fuerza la necesidad de reemplazar el uso de combustibles fósiles para la generación de energía. Esto ha impulsado la investigación en las energías renovables no convencionales (ERNC) que surgen como alternativas para satisfacer la alta demanda energética mundial. En este sentido, esta investigación apuntó a utilizar el recurso energético más abundante en la Tierra, la energía solar, mediante el desarrollo sustentable de celdas fotovoltaicas. Dentro de las limitaciones de la tecnología fotovoltaica actual se encuentra su elevado costo de producción, gran cantidad de materiales requeridos y la emisión de compuestos tóxicos asociados a su fabricación. Esto ha promovido el desarrollo de celdas solares basadas en nuevos materiales con la premisa de abaratar los costos de producción y disminuir su impacto ambiental. Es así como surgen las denominadas celdas solares de tercera generación, principalmente las Quantum Dot Sensitized Solar Cells (QDSSCs). Este tipo de celda utiliza nanopartículas semiconductoras fluorescentes o Quantum Dots (QDs) las cuales, debido a sus propiedades optoelectrónicas, son capaces de absorber la luz y producir electrones en su estado excitado. Además, exhiben alta estabilidad estructural y un amplio espectro de absorción de la luz. Los QDs que presentan un mejor desempeño en este tipo de celdas son los denominados Core/Shell, formados por un núcleo (Core) y una corteza o cáscara (Shell) de distinta composición y propiedades, dentro de los que destaca la configuración CdS/CdSe. En general, la síntesis de Quantum Dots implica procedimientos químicos complejos, como altas temperaturas, condiciones anaeróbicas y reactivos y residuos tóxicos. En consecuencia, para desarrollar protocolos cada vez más simples, económicos y de bajo impacto ambiental ha tomado fuerza el uso de microorganismos para biosintetizar estas nanopartículas. Sin embargo, la investigación de los QDs biosintetizados se ha limitado a definir su toxicidad con respecto a los producidos por métodos químicos y nada se ha estudiado sobre la síntesis biológica de QDs más complejos como los tipo Core/Shell. En base a esto, el objetivo general de este trabajo fue biosintetizar nanoestructuras semiconductoras fluorescentes tipo Core/Shell de CdS/CdSe para ser utilizadas en QDSSCs. A partir de la síntesis extracelular de CdS por E. coli, se desarrolló un método de biosíntesis de Quantum Dots tipo Core/Shell de CdS/CdSe, utilizando L-Cisteína, CdCl2 y Na2SeO3. Los QDs de CdS y CdS/CdSe producidos fueron caracterizados fotofísica y estructuralmente. Se observó un corrimiento espectral en la espectrofotometría UVVisible y una mayor fotoestabilidad en las nanopartículas de CdS/CdSe con respecto a las de CdS, corroborando la biosíntesis de nanoestructuras tipo Core/Shell. Los QDs de CdS poseen un tamaño aproximado de 12 nm y los de CdS/CdSe de 17 nm, mientras que el análisis de la composición orgánica determinó la presencia de biomoléculas en ambas nanopartículas. Finalmente se fabricaron QDSSCs con estos QDs y se caracterizaron sus parámetros fotovoltaicos. La eficiencia de las celdas sensibilizadas con las nanopartículas de CdS/CdSe aumentó casi 2,2 veces en relación a las celdas sensibilizadas con nanopartículas de CdS. Este trabajo constituye el primer reporte de la biosíntesis de QDs Core/Shell de CdS/CdSe, contribuyendo al desarrollo de celdas solares verdes o eco-friendly y estableciendo una alternativa prometedora y de bajo costo a las actuales tecnologías fotovoltaicas

In recent times, the necessity to replace the use of fossil fuels in power generation has arisen. This has driven research into non-conventional renewable energies (NCRE), that emerge as alternatives to fulfill the world's high energy demand. In this sense, the objective of the present work was to use the most abundant energy resource on Earth, solar energy, through the sustainable development of photovoltaic cells. Within the limitations of current photovoltaic technologies are its high cost of production, large quantity of materials required, and the emission of toxic compounds associated with its manufacture. This has promoted the development of solar cells based on new materials with the premise of lowering production costs and reducing their environmental impact. As a response to these requierements, the so-called thirdgeneration solar cells emerged, especially the Quantum Dot Sensitized Solar Cells (QDSSCs). This type of cell uses fluorescent semiconductor nanoparticles or Quantum Dots (QDs) which, due to their optoelectronic properties, are able to absorb light and produce electrons in their excited state. In addition, they exhibit high structural stability and a broad spectrum of light absorption. The QDs that present a better performance in this type of cells are those called Core/Shell, formed by a core and a shell of different composition and properties, including the CdS/CdSe configuration. In general, the synthesis of Quantum Dots involves complex chemical procedures, such as high temperatures, anaerobic and reactive conditions and also generate toxic residues. Consequently, in order to develop production protocols most simple, economical and with low environmental impact, the use of microorganisms to biosynthesize these nanoparticles has gained strength. However, the investigation of biosynthesized QDs has been limited to defining their toxicity with respect to those produced by chemical methods and no research to date has studied the biological synthesis of more complex QDs, such as the Core/Shell type. Based on this, the overall objective of this work was to biosynthesize CdS/CdSe Core/Shell fluorescent semiconductor nanostructures for its use in QDSSCs. Based in the extracellular synthesis of CdS by E. coli, biosynthesis of CdS/CdSe QDs was developed using L-Cysteine, CdCl2 and Na2SeO3. Obtained CdS and CdS/CdSe QDs were photophysically and structurally characterized. A spectral shift in the UVVisible spectrophotometry and increased photostability was observed in CdS/CdSe nanoparticles compared to the CdS, corroborating the biosynthesis of Core/Shell type nanostructures. QDs presented a size of approximately 12 nm for CdS and 17 nm for CdS/CdSe, whereas the analysis of the organic composition allowed to attribute the presence of biomolecules in both of these nanoparticles. Finally, these QDs were used for QDSSCs and their photovoltaic parameters were characterized. The efficiency of the CdS/CdSe sensitized cells increased almost 2.2 times when compared to CdS cells. This work constitutes the first report of the biosynthesis of CdS/CdSe Core/Shell QDs, contributing to the development of green or eco-friendly solar cells and establishing a promising and low cost alternative to current photovoltaic technologies