Nanotecnología para Energías en Latinoamérica

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3 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica editado por Eva M. Barea Universitat Jaume I, España SEFIN Society for Nanomolecular Photovoltaics Castelló

4 Please use the following format to cite material from this book: Author, Title of Abstract, in Nanotecnología para Energías en Latinoamérica, edited by E. Barea (SEFIN, Castelló, 2012), page numbers. ISBN: Published by: Society for Nanomolecular Photovoltaics (SEFIN) Avda. Sos Baynat s/n Universitat Jaume I Castelló (Spain) Copyright 2012, Society for Nanomolecular Photovoltaics (SEFIN) The papers published in this volume reflect the work and thoughts of the authors and are published here in as submitted. The publisher is not responsible for the validity of the information. All the information contained on this book is subject to copyright. No part of this publication may be reproduced, distributed, transmitted or transformed, in any form or by any means, electronic or mechanical, photocopying or recording without the written permission of the publisher. This book has been published with the consent of each author, also being protected by intellectual property rights belonging to them. The Authors may reuse figures, tables, artwork, illustrations, text, and data from the published paper, in subsequent scholarly publications of which they are an Author, for teaching or training purposes, in presentations at conferences and seminars, and for posting on the Author s personal website, university networks, or primary employer s institutional websites. Abstracting and non-profit use of this material is permitted with a credit to a source.

5 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica Soporte

6 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica Contenido Presentación 7 Introducción 8 Capítulo 1: Visión general de la nanotecnología 1.1. Juan Bisquert* Materiales para producción y almacenamiento de energía limpia Edgar González,* Victor Puntes New nanomaterials for clean energy production Eddy Herrera,* Edgar González Latin America in the energy challenge: renewable energy, emerging energy, emerging technologies and sustainability Capítulo 2: Fotovoltaica. Células solares 2.1. Eva M. Barea,* Luis Otero, Juan Bisquert Present and future for dye sensitized solar cell Elena Vigil,* Sixto Giménez, Francisco Fabregat-Santiago, Pau Rodenas, Roberto Trevisan, Bernardo González, Deni Fernández Nanostructured CuxO-TiO2 three dimensional interface fabricated on mesoporous TiO Luis Otero,* Miguel Gervaldo, Javier Durantini, Marisa Santo, Lorena Macor, Gabriela Marzari, Luciana Fernandez, Edgardo Durantini, Daniel Heredia, Fernando Fungo, Ken-Tsung Wong, Eva Barea, Juan Bisquert, Thomas Dittrich Development of supramolecular dyes with application in optoelectronics Marina Rincón,* Mauricio Solis, Julio Cesar Calva, German Alvarado Materiales unidimensionales de baja toxicidad para aplicaciones fotovoltaicas Helena Pardo* Synthesis, characterization and simulation of TiO2 and related nanostructures for dye sensitized solar cells Edward Steven Oliveros,* Mario Andres Chavarria, Faruk Fonthal Rico Electrical characterization and temperature-dependent of porous silicon/p-si heterojunction Caio Bonilha,* João Benedetti, Ana Nogueira, Agnaldo Gonçalves Transparent conducting oxide-free dye-sensitized solar cells based solely on flexible foils Lorena Macor,* Javier Durantini, Miguel Gervaldo, Luis Otero, Eva Barea, Juan Bisquert Algunos desarrollo en Latinoamerica sobre celdas solares de sensibilización espectral Jairo Plaza Castillo,* Alfonso Torres Jácome Activación rápida de obleas de Si <100> tipo n con películas SOD de boro Caterin Salas Redondo,* Jose Luis Villa Ramirez Estado del arte del modelado y simulación del electrodo transparente con CNTs en celdas solares orgánicas Jesús Baldenebro-López, Daniel Glossman Mitnik* Computational molecular nanoscience study of the properties of copper complexes for dye-sensitized solar cells

7 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica Caterin Salas Redondo,* Jose Luis Villa Ramirez Introducción al modelado y simulación del electrodo transparente con CNTs en celdas solares orgánicas Faruk Fonthal Rico,* Clara Eugenia Goyes, Marialena De los Rios, Liliana Tirado, Gerardo Fonthal Electrical and optical characterization of photosensitive porous silicon devices Capítulo 3: Aspectos de Nanoenergía 3.1. Rubén J. Camargo, H. Lizcano-Valbuena, Diego F. Triviño-Bolaños* Construcción y evaluación de un módulo de tres miniceldas pasivas de etanol directo Helmer Acevedo Gamboa* The use of Enviroxtm (a nanotechnology additive) in a single cylinder engine fueled with diesel fuel of 500 ppm of sulphur and 7% of palm oil biodiesel at high altitudes (2650 MASL) Susana Silva,* Johann F. Osma Impermeabilización de cuero y fibras textiles con nanocompuestos para la reducción de gastos energéticos Alberto Albis,* Ever Ortiz, Ismael Piñeres, Andrés Suárez Estudio de termogravimetría acoplada a espectroscopía de masas de la descomposición térmica de la cáscara de Copoazú (Theobroma grandiflorum) Capítulo 4: Conductores Iónicos 4.1. Rubén A. Vargas,* Jesús Evelio Diosa, Diego Peña-Lara, Manuel N. Chacón, Esperanza Torijano Development of nanocomposite electrolytes for advanced energy conversion and storage devices Marisa A. Frechero, Mirko Rocci, Rainer Schmidt, Mario R. Diaz-Guillen, Oscar J. Dura, Alberto Rivera-Calzada, Jacobo Santamaria, Carlos León* Efectos de interfase sobre la conductividad iónica en materiales de aplicación en pilas de combustible Alexander Cortes* Efecto de la orientación cristalina del SrTiO 3 sobre las propiedades dielectricas Julián Andrés Ángel Jiménez* Implemetacion de un clorimetro AC de alta resolución a bajas temperaturas Julián Andrés Ángel Jiménez,* Maria Elena Fernández López, Ruben Antonio Vargas Estudio del calor especifico en la membrana polimerica basada en PVA+ H 3 PO 2 /NAFION entre 4 y 360 K Maria Elena Fernández López,* Julian Eduardo Castillo, Felipe Bedoya, Jesus Evelio Diosa, Rubén Antonio Vargas Mechanical and DC-ionic conductivity properties of a reinforced PEM based on PVAL+H 3 PO 2 /ZRO Felipe Bedoya, Rubén Antonio Vargas, Maria Elena Fernández López* Thermomechanical characterization of polymeric ionic conductor membranes based on PVOH-H 3 PO 2 -ZrO Fabián Jurado,* Juan Romero, Carlos Vargas Estabilidad vibracional y conductividad del composito complejo (PVAOH+xTiO 2 )

8 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica 4.9. Angélica Mazuera,* David Barbosa, Ruben Vargas Estudio del comportamiento térmico y eléctrico en nanocompositas poliméricas basadas en óxidos de nióbio micrométrico con poli(alcohol de vinilo), con composición (1-x)[PVOH + H 3 PO 2 +H 2 O]-x(Nb 2 O 5 ) David Barbosa,* Angelica Mazuera, Ruben Vargas, Jesus Diosa Estudio del comportamiento térmico y eléctrico del sistema (1-x) KHSO 4 -xkh 2 PO Hernando Correa Gallego,* Jorge David Castaño Yepes, Edgar Arturo Gomez Gonzalez, Rubén Antonio Vargas Zapata Modelo cuántico de conducción super-iónica para el yoduro de plata (AgI) en sus fases α y β Jorge David Castaño Yepes,* Hernando Correa Gallego, Edgar Arturo Gomez Gonzalez Quantum model for superionic state of silver iodide (AgI)

9 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica Presentación Este volumen tiene como finalidad plasmar el estado del arte de algunos aspectos de la Nanotecnología para energía en Latinoamérica y España. Se realiza dentro de las actividades de la Red Cyted, del Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el desarrollo, proyecto Materiales y Dispositivos de Nanoescala para Conversión y Almacenamiento de Energía liderado por el catedrático Juan Bisquert, de la Universitat Jaume I de Castelló, España, con el fin de desarrollar investigación básica y aplicada en diversas áreas de nanotecnología para las energías limpias. El libro incluye contribuciones presentadas en la Conferencia Internacional Nanoenergía, que se celebró en Cartagena de Indias (Colombia) los días 10 y 11 de septiembre 2012, con el fin de promover y difundir las actividades de investigación sobre los Nanomateriales, Nanoenergía y Energías Renovables en Latinoamerica y áreas geográficas relacionadas. El libro también incluye otras contribuciones, todas ellas revisadas por el Comité organizador formado por Eva M. Barea (Presidenta) Universitat Jaume I, España Juan Bisquert, Universitat Jaume I, España Edgar González, Pontificia Universidad Javeriana, Colombia Rubén A. Vargas, Universidad del Valle, Colombia Este volumen sirve por tanto de punto de encuentro para científicos significados de ambas partes del océano Atlántico con objeto de presentar sus últimas contribuciones científicas y dar una visión del estado del arte de la Nanoenergía, en un momento en que este campo científico y tecnológico experimenta un extraordinario desarrollo en todo el mundo. Eva M. Barea Editora

10 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica Introducción Los sistemas de producción y distribución de energía en nuestra sociedad están formados por una compleja y entrelazada red de actores relacionados con los recursos, fuentes y tecnologías, procesos de extracción, minería, transporte, almacenamiento, conversión, distribución, comercialización, operación y mantenimiento, etc. Como la mayoría de los recursos energéticos no están distribuidos de forma equitativa, el acceso a los servicios energéticos se convierte cada vez más en un acuciante problema. En los últimos años se toman cada vez más medidas encaminadas a una mayor utilización de fuentes energéticas de origen renovable, la potenciación del ahorro energético y la diversificación, la mejora de los sistemas de combustión tradicional, la reconsideración de la energía nuclear y la búsqueda de nuevos portadores energéticos. Sin embargo, los problemas derivados del suministro energético podrían convertirse en factores limitantes del desarrollo, y por tanto del bienestar, debido a la posible disminución del acceso a los combustibles tradicionales, el encarecimiento de sus precios y al impacto ambiental de los combustibles fósiles. Cubrir las necesidades de crecimiento energético de los países considerados desarrollados, y posibilitar al resto las mismas o parecidas opciones, en algunos casos las mínimas necesarias, para conseguir un desarrollo sostenible implica necesariamente la potenciación de la I+D+I. El desarrollo de las capacidades potenciales de la región Latinoamericana se lleva a cabo en el proyecto Materiales y Dispositivos de Nanoescala para Conversión y Almacenamiento de Energía dentro de las actividades de la Red Cyted, donde se dan cita un gran número de científicos de Latinoamérica y España que con su trabajo y sus conocimientos en energías limpias y nanotecnología pretenden contribuir a dar solución a los problemas medioambientales y socioeconómicos. Este proyecto en nanotecnología es de gran importancia, ya que la nanotecnología es una ciencia multidisciplinaria donde trabajan coordinadamente especialistas en materiales con ingenieros mecánicos y electrónicos y también con investigadores médicos, biólogos, físicos y químicos. Una ciencia que une toda investigación nanoescalar y la necesidad de compartir saberes sobre métodos y técnicas, y combinarlos con conocimientos sobre las interacciones atómicas y moleculares para abarcar desde las interacciones básicas que forman materiales y nanoestructuras a las aplicaciones prácticas. Este libro está estructurado en cuatro grandes bloques. En el primer capítulo se da una visión general de la nanotecnología, donde se describen particularmente las clases de materiales más interesantes para la producción y almacenamiento de energía limpia. Además en ese capítulo se da una visión general del estado del arte las energías renovables y las tecnologías emergentes en Latinoamérica. A continuación se abarcan los temas energéticos más relevantes actualmente, como son la Fotovoltaica con las células solares, comenzando por la visión general del tema para después profundizar en los diferentes tipos de dispositivos fotovoltaicos que se están estudiando y perfeccionando en la actualidad, como son las células solares de colorante, de silicio y células orgánicas. El tercer capítulo trata sobre aspectos de la nanotecnología que se aplican a diversos aspectos de la sociedad, como son la producción de combustible a partir de luz solar, las pilas de combustible, y estudios fundamentales aplicables a la industria textil y a la industria alimentaria. Y para terminar, en el cuarto capítulo, se trata el tema del uso de los conductores iónicos y superiónicos en dispositivos como pilas de combustible, como candidato a la producción de energía distribuida y de forma no contaminante.

11 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica 9 Capítulo 1 1. Visión general de la nanotecnología

12 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica Materiales para producción y almacenamiento de energía limpia Juan Bisquert* Universitat Jaume I, Avda Sos Baynat, Castello, 12071, Spain El desarrollo de nuevos materiales y sistemas de producción y ahorro energético persiguen el objetivo de garantizar una transición adecuada a un futuro sostenible y fiable, basado en el uso de energías limpias, accesibles localmente y seguras. Muchos de los dispositivos emergentes desarrollados para la producción de energía renovable se basan en nanoestructuras y combinaciones híbridas de materiales orgánicos y inorgánicos. Estas áreas estratégicas de ciencia y tecnología de frontera, requieren un gran esfuerzo de investigación y también de la existencia de entornos multidisciplinares adecuados para inspirar y formar futuros científicos y líderes para la ciencia de la conversión de energía limpia. La iniciativa de la Red Nanoenergía ( ) con el soporte de CYTED persigue fomentar estas actividades en el ámbito de Latinoamérica. La velocidad media de consumo de energía en el mundo en 2007 fue de 16.2 teravatios (TW, un TW es igual a 1012 vatios, o 1012 joules/s). La energía global se doblará a mitad de siglo y triplicará en El rápido aumento de la población humana y el desarrollo económico global, crean una fuerte demanda de energía, mientras que las fuentes de combustible fósil de las que depende el suministro actual, se agotan. Además del contraste entre la oferta y la demanda, el consumo de combustible fósil también crea importantes problemas medioambientales como el calentamiento global que produce cambios del clima, polución del aire, y destrucción de la biodiversidad. Para mantener un desarrollo global sostenible, es necesario explorar con fuerza energías renovables con mínimos efectos medioambientales. Las características deseables son que sea abundante, barata, medioambientalmente limpia, particularmente, sin producir aumento del carbono atmosférico, y ampliamente disponible en la Tierra. Entre las energías renovables naturales que incluyen la luz solar, el viento, geotérmica, mareas oceánicas, y biomasa, la energía solar es la opción más atractiva. La luz solar es la principal fuente de energía libre de carbono para el futuro. El contenido de energía de la irradiación diaria excede todas las otras fuentes renovables combinadas, y excede miles de veces la energía necesaria para mantener una sociedad tecnológicamente avanzada. Actualmente existen dispositivos capaces de convertir la energía solar en electricidad. Las células solares han experimentado un enorme desarrollo en la última década, motivadas por la reconocida necesidad de expandir las energías renovables. Sin embargo existen enormes desafíos. Aunque todos los aspectos de la viabilidad de la energía solar han sido suficientemente demostrados, el imperativo científico consiste en desarrollar nuevos materiales, reacciones y procesos, que permitan que la energía solar sea suficientemente barata para penetrar en los mercados de energía globales. Desarrollos que empezaron en la década de los 1990, están alcanzando su madurez actualmente. Las células solares de colorante y las células orgánicas han centrado enormes esfuerzos de investigación en nanotecnologías para energía limpia. Las células solares de titanio nanoestructurado sensibilizado con colorante [1, 2] son células fotoelectroquímicas que han demostrado su estabilidad en los últimos años, aunque su rendimiento de conversión de luz solar a electricidad se mantiene alrededor del 11%. Las células solares orgánicas compuesta por una mezcla de materiales orgánicos con carácter dador y aceptador de electrones, han incrementado su rendimiento notablemente en los últimos años [3]. Sin embargo, la facilidad de procesado de los materiales orgánicos también provoca problemas a la hora de controlar la morfología de los dispositivos y sus interfaces [4].

13 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica 11 Para contrarrestar el carácter intermitente de la energía solar y eólica, son necesarios sistemas masivos de almacenamiento de energía. Hacen falta pues medios baratos de almacenar la energía solar para que esta se convierta en una fuente primaria de suministro. Recientemente ha experimentado un gran auge la idea de convertir la luz solar directamente en combustible, usando semiconductores que realizan la fotodescomposición del agua para formar hidrógeno [5]. El extraordinario desarrollo de los sistemas de almacenamiento en baterías de litio propone el escalado de estos sistemas para su uso en transporte y en acumuladores caseros. Particularmente la batería de litio-aire presenta una enorme densidad teórica de energía, aunque su realización requiere resolver diversos aspectos técnicos [6]. Referencias [1] O' Regan, B.; Grätzel, M. A low-cost high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films. Nature, 1991, 353, [2] Hagfeldt, A. et al. Dye-Sensitized Solar Cells. Chemical Reviews, 2010, 110, [3] He, F.; Yu, L. How Far Can Polymer Solar Cells Go? In Need of a Synergistic Approach. The Journal of Physical Chemistry Letters, 2011, 2, [4] Bisquert, J. Effects of Morphology on the Functionality of Organic Electronic Devices. The Journal of Physical Chemistry Letters, 2012, 3, ). [5] Walter, M.G. et al. Solar Water Splitting Cells. Chemical Reviews, 2010, 110, [6] Jake, C. et al. A Critical Review of Li/Air Batteries. Journal of The Electrochemical Society, 2011, 159, R1- R30.

14 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica New nanomaterials for clean energy production Edgar Gonzalez,*,a Victor Puntes b a, Instituto Geofísico, Facultad de Ingeniería, Pontificia Universidad Javeriana, Cr 7 No P7, Bogota, , CO b, Institut Català de Nanotecnologia, Campus UAB, 08193, Bellaterra, SP Nanoscience and nanotechnology offer an alternative with the relation to the challenge imposed in the energy sector by the need to improve efficiency in processes and systems for conversion, production and storage of energy. The progress that has been achieved so far in the production of new nanostructured materials, as well as cost reduction and ease synthetic methods, open a transit route to a substantial improvement in the processes of production of clean energy (eg proton exchange membrane fuel cells PEMFC). The limited stability of catalytic materials used usually in PEMFC has been one of the relevant issues to the industrial scale production of this type of electrochemical devices. However, the activities on PEMFC research and development has steadily increased due to its low operating temperature, good performance, compact size, modular architecture, zero emission and response to transients among other attractive characteristics. Platinum is the most widely used catalyst in PEMFC, this material is dispersed in particles supported on carbon. In operating cycles of the electrode, loss of effective area of platinum occurs, due to platinum growth, migration, contamination (e.g. carbon monoxide) and corrosion of the carbon support (1). This stability problem threats seriously the durability of the electrodes and performance of the cell. Fuel cell systems will have to be cost-competitive with conventional energy sources. This requirement is compromised by the cost of platinum, aspect that has motivated the research of new supports (e.g. carbon nanotubes) (2), low-platinum (3) and platinum-free catalysts (e.g. carbon-iron-cobalt catalyst) (4), although there are still many unsolved problems which have not yet allowed the practical use of these novel materials. As is well known, composition, size, shape and structure are key factors in determining the physical and chemical properties of a material at the nanoscale. With recent advances in the management of reaction and diffusion processes at the nanoscale as synthetic tools, a new generation of nanomaterials has been achieved with simultaneous control of these four factors (5-6). The generation of these new materials offers interesting possibilities for solving the problems in PEMFC, specifically limiting kinetics of oxygen reduction at the cathode and the limited activity and poisoning of the catalyst on the electrodes. In this work, results from new methods for catalytic nanomaterials production, with control on the shape (nanotubes, nanocages, nanoboxes, etc), size and composition (alloys M1M2, M1@M2, core@shell with M1, M2= Pd, Ag, Au etc), are presented. The characterization and phenomenological study of some of these catalysts show that is possible to promote a high efficiency and reduction in the degradation and poisoning of electrodes in PEMFC. These advances can contribute to strengthening the competitive development of fuel cells, an essential step to address the energy challenge. References [1] Zhang, J.; Sasaki, K.; Sutter, E.; Adzic,R. Stabilization of Platinum Oxygen-Reduction Electrocatalysts Using Gold Clusters.Science, 2007, 315, 220. [2] Zhang, W. et al. Carbon Nanotube Architectures as Catalyst Supports for Proton Exchange Membrane Fuel Cells. Energy and Env. Science, 2010, 3, [3] Strasser, P. et al. Lattice-strain control of the activity in dealloyed core-shell fuel cell catalysts. Nature Chemistry, 2010, 2, 454. [4] Wu, G.; More, K.; Johnston, C.; Zelanay, P. High-performance Electrocatalyst for Oxygen Reduction Derived from Polyaniline, Iron, and Cobalt. Science, 2011, 332, 443. [5] Parak, W. Complex Colloidal Assembly. Science, 2011, 334, [6] González, E.; Arbiol, J.; Puntes, V. Carving at the Nanoscale: Sequential Galvanic Exchange and Kirkendall Growth at Room Temperature. Science, 2011, 334, 1377.

15 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica Latin America in the energy challenge: renewable energy, emerging technologies and sustainability Eddy Herrera,*,a Edgar González b a, Pontificia Universidad Javeriana. Departamento Matemáticas Facultad Ciencias, Carrera 7 No Piso 7 Bogota, 1000, CO b, 4Instituto Geofísico, Facultad de Ingeniería.Pontificia Universidad Javeriana and Centro de Ciencia y Tecnología Nanoescalar, Carrera 7 No Piso 7 Bogota, 1000, CO According to theinternational Energy Agency, the interest of the different Latin American countries, about renewable energy in the last decade, due in great part to the efforts of these, to diversify its generation of energy and reduce dependence of expensive fossil fuels. The International Energy Agency, estimates that in Latin America renewable energies correspond to 29% of total primary energy. Hydropower contributes considered renewable by 62%, while the biofuels by 36% of total renewable. These measurements, show significant potential for Green Energy in the region, which should be evaluated in terms of sustainability and use of new technologies, and thus be able to meet the growing requirements on energy demand, which would be estimated by above 50% for the next two decades. Although inlatin America the availability of autonomous renewable energy resource is significant; yet to be effectively solved the problems related to efficiency and cost in energy conversion into criteria of sustainability and social impact. Moreover, changes of an exogenous energy demand and international programs to combat climate change impose drastic restructuring in the dynamics involved with I&D+i, which could meet this challenge momentous for the future of the region. Although this, the energy policy agendathat involves issues related to safety, efficient use, diversification of sources principally those related with renewable energies, the costs associated with these, equity, and social benefit, which has not yet reached the maturity necessary to promote a scenario that supports the crisis for the next years. The difficultiesof a political nature financial, technical and organizational among other questions, specifically the limited infrastructure for scientific and technological development, are an obstacle, since these restrict better use of wealth in renewable energy resources of most countries in the region. All of the aboveshows, the importance to assess the role of Latin America from renewable energy, in aspects such as research, development and innovation on these emerging technologies, achievements, constraints, cooperation projects and projections for the short and medium term. That's whythis work, presents a description, diagnosis, and analysis of current state in Latin America, about renewable energy and the impact of emerging technologies within the context of sustainability. This analysis will infer about the potential in Latin America with respect to renewable energy and the impact of emerging technologies within the context of sustainability for the improvement and implementation of new strategies, for production, conversion, and energy storage. Finally, this paper analyzes the water resource and its sustainable use in energy production, particularly in Colombia, due to the fact countries such as Colombia, represent a significant portion of total renewable energy in the region. References [1] Betancour, L. Las Energías Rnovables Marco Jurídico en Colombia. Revista Perpectiva, [2] Cadena, I. et al. Regulación para Incentivar las Energias Alternas y la Generación Distribuidad en Colombia. Revista Ingenería, 2008, No 28. [3] Meisen, P; Krumpler, S. El potencial de América Latina con Referencia a la Energía Renovable. Global Energy Institute, [4] Huacuz, M.; Dr. Jorge Overview of Renewable Energy Sources in Latin America, 2003,

16 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica 14 Capítulo 2 2. Fotovoltaica. Células solares.

17 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica Present and future for dye sensitized solar cell Eva M. Barea,*,a Luis Otero b, Juan Bisquert a a, Photovoltaic and Optoelectronic Devices Group, Universitat Jaume I, Av. Vicent Sos Baynat s/n, Castello, 12071, ES b, Departamento de Química, Universidad nacional de Río Cuarto, Agencia postal Nro. 3, X5804BYA Río Cuarto, Córdoba, AR Nanocrystalline semiconductor-based dye-sensitized solar cells (DSC) have attracted significant attention as a low cost alternative to conventional solid-state photovoltaic devices. 1 The most successful dye sensitizers employed so far in these cells are polypyridyl-type ruthenium complexes 2,3 yielding overall AM 1.5 solar to electric power conversion efficiencies (PCE) up to 11.7% 4. Further improvements are still necessary and new materials as well as novel device fabrications need to be thoroughly explored. Several efforts are focused on improving the overall efficiency of DSCs, such as the exploration of new dyes to extend the solar irradiation absorption to the infrared and near infrared regions, 5-7 materials for counterelectrodes to improve charge extraction, 8 new redox mediators that can get higher open circuit potential 9 and new semiconductor materials. Also, composite metal oxides with different bandgaps 10 have been widely studied, as well as porous structures ordered in a perpendicular fashion to the conducting substrate in order to improve the electron collection and transport. 11,12-14 Despite great improvements in the process of DSC fabrication there are several points to be optimized, like new materials for counterelectrodes,15 new redox media that can get higher open circuit potential,16 like the well known redox cobalt and new semiconductors materials, different from titania, or mixtures of materials, like for example those involving the use of graphene. 18,19 Different kinds of counterelectrodes have been studied for DSCs: platinum, graphite, activated carbon, carbon black, single-wall carbon nanotubes, PEDOT, polypyrrole, and polyaniline. 19 In general, the best performances were obtained for platinized electrodes. But PEDOT is especially interesting due to its high stability, electrical conductivity and catalytic capability. 20 Figure 1. Scheme of a working electrode on DSC based on titania and graphene. Related with the use of graphene in the working electrode there are several papers using nanoribbons, nanotubes, layers and nanoparticles 17 that increase the DSC efficiency conversion, but the mechanism and the role that nanoparticles of grapheme plays in it, is still unknown.

18 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica 16 It is clear that the use of new material is focuses to improve the performance of the devices but at the same time new studies are required to understand the new mechanism involved in the operation of the device and find the reasons why is possible to improve the efficiency of the dye solar cells. Based on large experience on DSC characterization by Impedance Spectroscopy (IS), we provide detailed understanding of the factors determining the cell performance and explain why using ordered one-dimensional PEDOT like counterelectrode and Graphene-Titania in the working electrode is possible increase the efficiency of the DSC. 15, 21 References [1] O Regan, B.; Grätzel, M. Nature, 1991, 353, 737. [2] Kay, A.; Nazeeruddin, M. K.; Rodicio, I.; Humphry - Baker, R.; Muller, E.; Linska, P.; Vlachopoulus, N.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc, 1993, 115, [3] P. Pechy, F. P. R.; Nazeeruddin, M.K.; Kohle, O.; Zakeeruddin, S. M.; Humphry Baker, R.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc., 1995, 65. [4] Yu, Q.; Wang, Y.; Yi, Z.; Zu, N.; Zhang, J.; Zhang, M.; Wang, P. ACS Nano, 4, [5] Kim, S.; Lee, J. K.; Kang, S. O.; Ko, J.; Yum, J. H.; Fantacci, S.; De Angelis, F.; Di Censo, D.; Nazeeruddin, M. K.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, [6] Liang, M.; Xu, W.; Cai, F.; Chen, P.; Peng, B.; Chen, J.; Li, Z. The Journal of Physical Chemistry C, 2007, 111, [7] Marinado, T.; Hagberg, D. P.; Karlsson, K. M.; Nonomura, K.; Qin, P.; Boschloo, G.; Brinck, T.; A., H.; Sun, L. J. Org. Chem, 2007, 72, [8] Edvinsson, T.; Hagberg, D. P.; Marinado, T.; Boschloo, G.; Hagfeldt, A.; Sun, L. Chem. Commun, 2006, 21, [9] Hagberg, D. P.; Yum, J. H.; Lee, H.; De Angelis, F.; Marinado, T.; Karlsson, K. M.; Humphry-Baker, R.; Sun, L.; Hagfeldt, A.; Grätzel, M.; Nazeeruddin, M. K. J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, [10] Hara, K.; Sato, T.; Katoh, R.; Furube, A.; Yoshihara, T.; Murai, M.; Kurashige, M.; Ito, S.; Shinpo, A.; Suga, S.; Arakawa, H. Adv. Funct. Materials, 2005, 15, 246. [11] Hara, K.; Sato, T.; Katoh, R.; Furube, A.; Ohga, Y.; Shinpo, A.; Suga, S.; Sayama, K.; Sugihara, H.; Arakawa, H. J. Phys. Chem. B, 2003, 107, 597. [12] Barea, E.; Ortiz, J.; Payá, F. J.; Fernández-Lázaro, F.; Fabregat Santiago, F.; Sastre-Santos, A.; Bisquert, J. Energy Environ. Sci., 2010, 3, [13] Waltera, M. G.; Rudineb, A. B.; Wamser, C. C. J. Porphyrins Phthalocyanines, 2010, 14, 759. [14] Martínez-Díaz, M. V.; de la Torrea, G.; Torres, T. Chem. Commun., 2010, 46, [15] Trevisan, R.; Döbbelin, M.; Boix, P. P.; Barea, E. M.; Tena-Zaera, T.; Mora-Seró, I.; Bisquert, J., Adv. Energy Mater., 2011, 1, [16] Mingfei, X.; Difei, Z.; Ning, C.; Jingyuan, L.; Renzhi, L.; Peng, W. Energy & Environmental Science, 2011, DOI: /c1ee02432a. [17] Yang, N.; Zhai, J.; Wang, D.; Chen, Y.; Jiang, L., ACS Nano, 2010, 4(2), [18] Song, J.; Yin, Z.; Yang, Z.; Amaladass, P.; Wu, S.; Ye, J.; Zhao, Y.; Deng, W.-Q.; Zhang, H.; Liu, X.-W. Chemistry A European Journal 17(39), [19] Murakami, T. N.; Grätzel, M. Inorg. Chim. Acta, 2008, 361, 572. [20] Tian, H.; Yu, Z.; Hagfeldt, A.; Kloo, L.; Sun, L. J. Am. Chem. Soc., 2011, DOI: /ja [21] Durantini, J.; Boix, P. P.; Gervaldo, M.; Morales, G. M.; Otero, L.; Bisquert, J.; Barea, E. M. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2012, 683,

19 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica Nanostructured Cu x O-TiO 2 three dimensional interface fabricated on mesoporous TiO 2 Elena Vigil,*,a Sixto Giménez b, Francisco Fabregat-Santiago b, Pau Rodenas b, Roberto Trevisan b, Bernardo González c, Deni Fernández c a, Physics Faculty, University of La Habana, Colina Universitaria, La Habana, 10400, Cuba b, University Jaume I, Castellon, Valencia, Spain c, Inst. of Materials Science and Technology, Zapata casi esq a G, 10400, Cuba Recent interest in the three dimensional interface Cu x O-TiO 2, fabricated with either cuprous or cupric oxide is reflected in the literature. This is due to promising perspectives of these structures for different applications like photovoltaic solar cells, photoelectrochemical cells for water photolysis using sun radiation and different types of sensors [1-5]. Besides ease for fabrication of these structures, an additional advantage with respect to other reported lowbandgap-high-bandgap three dimensional heterostructures is that the oxides employed are innocuous. Regarding cuprous oxide, i.e., the Cu 2 O-TiO 2 interface, relative position of these semiconductor bandgaps has been shown to be adequate for the mentioned applications. Cu 2 O absorbs the solar spectrum much better than TiO 2 although its energy bandgap value E g =2.2eV determines that the yellow to infrared part of the solar spectrum will not be absorbed. The cupric oxide heterostructure (CuO-TiO 2 ) has not been studied sufficiently. Disagreements exist in the literature with respect to both, CuO bandgap value and electron affinity value which define its conduction and valence band positions relative to vacuum. The values reported for CuO bandgap vary between 1.2 and 1.9eV. This makes CuO a better solar light absorber than Cu 2 O but also band positions relative to TiO 2 would have to be adequate regarding possible applications mentioned before. A simple technique is used for the first time to obtain the Cu x O-TiO 2 three dimensional heterostructure. The purpose of this technique is that Cu x O completely penetrates mesoporous TiO 2 and that it either forms very small nanocrystals, quantum dots or practically a Cu x O monolayer. It is desired that in all three cases Cu x O critical dimension is less than carriers diffusion length. Besides, inner coverage of pores must be as complete as possible but without clogging mesopores; hole transporting medium must penetrate mesopores to allow their transport. These conditions are necessary for carriers to reach both, the TiO 2 and the counter-electrode rather than recombining in Cu x O before. The purpose of this simple technique is to eliminate the difficulties inherent to other techniques which cover mostly the external surface with poor penetration of deeper underlying porous material. To oxidize Cu species, impregnated samples were heat treated in air at 500 C, which is the highest temperature allowed for the glass substrate. According to the highest number of Cu species that could be adsorbed on TiO 2 for the given experimental parameters, the process was repeated for some samples in order to increase concentration of adsorbed Cu species. The effectiveness of increasing adsorbed Cu species with process repetition was studied using optical transmittance (see Fig. 1a). The spectral absorption analysis from these experiments shows the presence of CuO and Cu 2 O. Heat treatment time and temperature were not enough to fully oxidize the copper oxide. CuO and Cu 2 O bandgaps were obtained. Scanning electron microscopy (SEM) analysis, as well as, optical microscopy show high reduction of surface crystallization with respect to other techniques previously used (6). This implies that optical absorption is due to CuO and Cu 2 O inside the pores. Sample surface is practically free of Cu x O crystals except that in some points, very distant from each other, one can observe the appearance of ribbon shaped crystals which grow from a common origin forming a flower-like structure (see Fig. 1b). Ribbons (flower petals) can be longer that 50 µm. Petals widths are much smaller but also in the micrometer range. Only ribbons thickness is nanometric. The appearance of these crystals is discussed.

20 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica 18 Figure 1 a) Optical transmittance spectra corresponding to CuxO-TiO2 samples with different number of processes of immersion and heat treatment: 1, 3, and 5 repetitions. TiO2 transmittance spectrum is also shown as reference. b) Ribbon-like crystals which form a flower-like structure. The white line in the lower right corner is 30 µm long. The Cu x O-TiO 2 interface is also studied using X-ray diffraction. XRD spectra show the presence of Cu 2 O and CuO in agreement with results from optical absorption spectra. Cu x O-TiO 2 samples on SnO 2 :F conducting glass were used as photoelectrodes in a photoelectrochemical cell. Cyclic voltametry was used to study light response of the photoelectrodes using different aqueous electrolytes. Photocurrent obtained for the visible part of the spectrum shows that photons are absorbed in the copper oxide. Possible carrierloss mechanisms in the studied interface are discussed and recommendations to improve photocurrent are proposed. References [1] Tripathi, M.; Pandey, K.; Kumar, S.D. Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2007, 91, [2] Bandara, J.; Udawatta, C.P.K.; Rajapakse, C.S.K. Photochem. Photobiol. Sci., 2005, 4, 857. [3] Jin, Z.; Zhang, X.; Li, Y.; Li, S.; Lu, G. Catal. Commun., 2007, 8, [4] Senevirathna, M.K.I.; Pitigala, P.K.D.D.P.; Tennakone, K. J. Photochem. Photobiol. A: Chemistry, 2005, 171, [5] Shankar, K.; Basham, J. I.; Allam, N. K.; Varghese, O. K.; Mor, G. K.; Feng, X.; Paulose, M.; Seabold, J. A.; Choi, K.-S.; Grimes, C. A. J. Phys. Chem. C, 2009, 113, [6] Vigil, E.; Gonzalez, B.; Zumeta, I.; Domingo, C.; Domenech, X.; Ayllon, J. A. Thin Solid Films, 2005, 489,

21 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica Development of supramolecular dyes with application in optoelectronics Luis Otero,*,a Miguel Gervaldo a, Javier Durantini a, Marisa Santo a, Lorena Macor a, Gabriela Marzari a, Luciana Fernandez a, Edgardo Durantini a, Daniel Heredia a, Fernando Fungo a, Ken- Tsung Wong d, Eva Barea b, Juan Bisquert b, Thomas Dittrich c a, Universidad Nacional de Río Cuarto, Guatemala 570, Río Cuarto, 5800, Argentina b, Departament de Fisica Universitat Jaume I, Castello, Spain c, Helmholtz Center Berlin for Materials and Energy, Institute of Heterogeneous Materials, Hahn-Meitner-Platz 1, D Berlin, Germany d, Department of Chemistry, National Taiwan University, Taipei 106, Taiwan The development of new organic materials with applications in electro-optical devices is one of the most active fields of research in the last years. The continuous growing of worldwide requirements of environmental friendly energy sources has led to a greater increment in the research for new solar energy conversion devices. In this frame, dyesensitized solar cells (DSSCs) are one of great research interested systems all around the world. A crucial issue in DSSC design is the used dye. Until now, Ru(II) polypyridyl complexes still dominated the most successful systems. However, the limited availability and environmental issues could limit the extensive applications of Ru-based DSSCs. Furthermore, Ru-based dyes are expensive and hard to purify as compared to organic sensitizers. Thus, the search of new highly efficient dyes is one of the most active research subjects in DSSCs development. Organic dyes exhibit many advantages, such as the huge diversity of molecular structures and the possibility of obtaining materials at relatively low cost. Moreover, organic dyes normally exhibit high molar extinction coefficients as compared to those of Ru dyes (< M -1 cm -1 ), allowing to use thinner nano-structured oxide semiconductor films with comparable lightharvesting efficiency, a key factor in solid-state DSSC development. (1-3) On the other hand, the use of organic polymers in electronic and optoelectronic holds the advantages to obtain large area flexible devices, replacing rigid Si and glass substrates. It is expected that the use of polymers will introduce a significantly advance in the construction and application of devices for energy generation, image display, lighting systems and others. The improvement and application of flexible devices are directly associated to the development of new suitable materials and deposition processes. At present two major approaches are used to deposit optoelectronic organic materials layers: thermal evaporation and solution processing. Although thermal evaporation through the use of mask can produce well-ordered patterned films, the throughput is slow and involves expensive vacuum systems. Also, thermal evaporation demands materials with sublimation capability and excellent thermal stability, properties that are not easy to obtain in polymers. Furthermore, low-cost solution processes, as spin coating, deep coating and drop coating, usually produce nonpatterned films that cover the entire substrate. A promising technique for conducting polymer film production is the electropolymerization of electroactive monomers. The polymer films made through this way is an alternative and attractive film formation method to build highly efficient optoelectronic devices. The formation and characterization of a series of polymer films with optoelectronic properties obtained by electropolymerization will be showed. Polymers containing porphyrins, a powerful optical and redox active center, were synthesized and analyzed in our laboratory. Likewise, polymers with electron donor-acceptor moieties, linked by fluorene centre were developed and applied in electro-optical devices. (4-6) References [1] Heredia, D.; Natera, J.; Otero, L.; Fungo, F.; Yen, Gh-L.; Lin, Wong K-T Spirobisfluorene-bridged Donor Acceptor Organic Sensitizer for Dye-Sensitized Solar Cells. Organic Letter, 2010, 12, [2] Macor, L.; Gervaldo, M.; Fungo, F.; Otero, L.; Dittrich, Th.; Lin, Ch-Y.; Chi, L-Ch.; Fang, F-Ch.; Lii, Sh-W.; Wong, K-T.; Tsai, Ch-H.; Wu Ch-Ch. Photoinduced charge separation in donor-acceptor spiro compounds at metal and metal oxide surfaces. Application in Dye Sensitized Solar Cell. Royal Society of Chemistry Advances, 2012, 2,

22 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica 20 [3] Durantini, J.; Boix, P.P.; Gervaldo, M.; Morales, G.M.; Otero, L.; Bisquert, J.; Barea E.M. Photocurrent Enhancement in Dye-Sensitized Photovoltaic Devices with Titania-Graphene Nanoparticles. Electroanal. Chem. (Submitted 2012). [4] Gervaldo, M.; Funes, M.; Durantini, J.; Fernandez, L.; Fungo F.; Otero, L. Electrochemical polymerization of palladium (II) and free base 5,10,15,20-tetrakis(4-N,N-diphenylaminophenyl)porphyrins: Its applications as electrochromic and photoelectric materials. Electrochem Acta, 2010, 55, [5] Durantini, J.; Otero, L.; Funes, M.; Durantini, E.N.; Fungo, F.; Gervaldo M. Electrochemical oxidationinduced polymerization of 5,10,15,20-tetrakis[3-(N-ethylcarbazoyl)]porphyrin. Formation and characterization of a novel electroactive porphyrin thin film. Electrochimica Acta, 2011, 56, [6] Durantini, J.; Morales, G.M.; Santo, M.; Funes, M.; Durantini, E.N.; Fungo, F.; Dittrich, Th.; Otero, L.; Gervaldo, M. Synthesis and characterization of porphyrin electrochromic and photovoltaic electropolymers. Organic Electronics, 2012, 13,

23 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica Materiales unidimensionales de baja toxicidad para aplicaciones fotovoltaicas Marina Rincon,* Mauricio Solis, Julio Cesar Calva, German Alvarado CIE-UNAM, Priv. Xochicalco S/N Col. Centro, Temixco, Morelos, 62580, MX El uso de nanoestructuras unidimensionales (1D) en celdas fotoelectroquímicas se ha reportado como una estrategia efectiva para aumentar la eficiencia de los dispositivos [1]. En el Centro de Investigación en Energía de la Universidad Nacional Autónoma de México, estamos explorando el uso de nanocarbono y materiales unidimensionales en conversión fotovoltaica. Ya sea como colectores, capas buffer o como parte de la capa activa, en los últimos años hemos avanzado en la fabricación y caracterización de electrodos de CNT/TiO 2. Algunos ejemplos del trabajo realizado comprenden el estudio del efecto que tiene la fracción metálica o semiconductora de nanotubos de carbono unipared (SWCNT) cuando se incorporan a semiconductores mesoscópicos como el TiO 2. Aunque se ha reportado que facilitan la separación y transporte de carga hacía los colectores, aumentando así la eficiencia de celdas solares [2-4], en la mayoría de los trabajos publicados, los SWCNT son una mezcla de nanotubos semiconductores y metálicos y no hay un claro entendimiento del efecto de cada fase ni de los procesos interfaciales determinantes. En el grupo hemos iniciado estudios experimentales de electrodos basados en nanotubos semiconductores (s-swcnt) y metálicos (m-swcnt). Fabricamos fotoánodos transparentes con configuración m o s-swcnt/tio 2 por métodos sencillos, y contrastamos la función de trabajo y las propiedades fotoelectroquímicas para explorar su potencial en celdas solares. También hemos estudiado el potencial de los arreglos multicapa Acero304/MWCNT-TiO 2 en almacenamiento y conversión de energía [5]. La fabricación de electrodos mesoporosos de MWCNT-TiO 2 sensibilizados con sulfuro de bismuto (Bi 2 S 3 ), con brecha de bandas entre 1.2 y 1.6 ev [6], pretende estructuras unidimensionales que redunden en un aumento sustancial en la fotocorriente por el efecto combinado de mayor área y mejor transporte de portadores. El posicionamiento de los niveles energéticos y/o la presencia de estados entre bandas o centros de color, son factores importantes que se han comentado de manera cualitativa en el desempeño de celdas solares sensibilizadas con semiconductores (CSSS), pero cuyo estudio no se ha abordado en forma rigurosa o sistemática. A la fecha hemos comprobando que la incorporación de una película de nanotubos de carbono multipared (MWCNT) crecida de manera in-situ sobre el electrodo conductor Acero 304, en efecto aumenta el área de depósito del TiO 2 y del sensibilizador Bi 2 S 3, favoreciendo el aumento en la fotocorriente [5]. Más aún, la remoción casi completa de la matriz de MWCNT por el tratamiento térmico en aire da como resultado recubrimientos de TiO 2 en forma de cintas o listones, con evidencia aparente de impurificado con carbono. Mediante estudios con el microscopio electroquímico de barrido con sonda Kelvin, determinamos las funciones de trabajo (f) de las diferentes capas que conforman el electrodo Acero304/MWCNT-TiO 2 /Bi 2 S 3. Las mediciones se compararon con los niveles de Fermi de electrodos compactos de TiO 2 /Bi 2 S 3, para determinar el efecto que tiene la inclusión de la matriz de MWCNT, así como para calificar algunos parámetros de síntesis (grado de recubrimiento e impurificado). Las características geométricas del CNT permiten que fotoánodos de CNT/TiO 2 puedan considerarse equivalentes y compararse con arreglos de nanotubos de TiO 2 obtenidos por anodización. La sensibilización de TiO2 (1D) con CdS, CdSe, PbS, CdTe, ha dado buenos resultados, pero no ha mejorado significativamente la eficiencia de celdas solares sensibilizadas con semiconductores (SSSC), la cual es tan sólo del 2.8%, muy por debajo del 11% reportado en las celdas solares sensibilizadas con tinte (DSSC) [7]. La sensibilización de las estructuras unidimensionales con Bi 2 S 3 tiene la ventaja de que el Bi es menos tóxico que el Cd y Pb y mucho más abundante en la corteza terrestre, particularmente en México.

24 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica 22 Figura 1 TiO2/Bi2S3, tiempo de depósito: A) 0h, B) 1h, C) 3h Para sensibilizar el área interna de los nanotubos de TiO 2 se han utilizado diferentes métodos (electroquímico, sublimación, SILAR), siendo la problemática el grado de penetración de los precursores en el arreglo [Figura 1]. En el caso particular del depósito por baño químico (BQ), y a diferencia del depósito de nanopartículas ya formadas, se tiene que equilibrar el tiempo de penetración de los precursores con el tiempo de formación de la película. En estudios recientes encontramos las condiciones óptimas del depósito de Bi 2 S 3 sobre el arreglo de TiO 2 (1-D), variando el tiempo y la temperatura de BQ. Estamos en la etapa de estudiar los cuellos de botella de las estructuras fotovoltaicas elaboradas, aplicando los modelos pertinentes, pero somos optimistas de la versatilidad de los fotoánodos CNT/TiO2 (1-D) obtenidos, los cuales serán utilizados en celdas solares poliméricas y con otros puntos cuánticos de baja toxicidad. Referencias [1] Yu, K; Chen, J. Enhancing Solar Cell Efficiencies through 1-D Nanostructures. Nanoscale Res Lett, 2008, 4, [2] Kongkanand, A.; Martínez, R.; Kamat, P.V. Single wall carbon nanotube scaffolds for photoelectrochemical solar cells. Capture and transport of photogenerated electrons. Nanoletters, 2007, 7, [3] Jang, S.R.; Vittal, R.; Kim, K.J. Incorporation of functionalized single-wall carbon nanotubes in dyesensitized TiO2 solar cells. Langmuir, 2004, 20, [4] Alvarado Tenorio, G.; Rincón, M.E.; Calva Yáñez, J.C.; Solís de la Fuente, M. Photoanodes Based on Carbon Nanotubes Deposited by Drop Casting and Filtration Methods: Photoelectrochemical Characterization. ECS Trans., 2011, 36, [5] Calva, J.C.; Rincón, M.E.; Solís, M.; Alvarado, G. Photoelectrochemical characterization of CNT-TiO2 electrodes sensitized with Bi2S3. ECS Transactions, 2011, 36, [6] Moreno, H.; Nair, M.T.S.; Nair P.K. Chemically deposited lead sulfide and bismuth sulfide thinfilms and Bi2S3/PbS solar cells. Thin Solid Films, 2011, 519, [7] Hodes, G. Comparison of Dye- and Semiconductor-Sensitized Porous Nanocrystalline Liquid Junction Solar Cells. J. Phys. Chem, 2008, 112,

25 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica Synthesis, characterization and simulation of TiO 2 and related nanostructures for dye sensitized solar cells Helena Pardo* Centro NanoMat, Polo Tecnológico de Pando, Cátedra de Física, Facultad de Química, UdelaR Cno. Aparicio Saravias s/n Pando The dye sensitized solar cell is an emerging alternative for the production of electricity from solar energy. It is based on a junction between a n-type wide gap semiconductor and a p-type light absorbing material. The selected material for the first one, in most cases, corresponds to TiO 2 nanoparticles, while the second one consists on an organic or inorganic dye. The opencircuit voltage generated in the cell corresponds to the difference between the Fermi level of the electron in the solid and the redox potential of the electrolyte used in order to regenerate the dye molecule. Thus, the electronic structure, and in particular the band gap of the n-type nanoparticles, influence the efficiency of the cell [1]. In this work we will describe the implications of the morphological and structural properties of different titanates, all of them obtained by hydrothermal synthesis [1]. Several variables have been adjusted in this process: starting TiO 2 crystallographic phases, reaction time, temperature and acid post treatment. Adittionally, other kind chemical synthesis were evaluated, such as hydrothermal treatment at atmospheric pressure, hydrolysis of glicolated precursors and sonication methods [2], but without good results in terms of crystallographic phases and morphological expectations. After preparation, all the obtained phases were evaluated in terms of thermal stability, in order to study the effect of water absorption, phases transformation and final porosity. The structural characterization was performed by x-ray powder diffraction, using Cu K alpha radiation using a Rigaku Ultima IV diffractometer operating in Bragg-Brentano geometry. The microstructure was study by Scanning Electronic Microcopy (SEM) and Transmission Electronic Microscopy (TEM), confirming both that different morphologies, such as nanotubes or nanorods, can be obtained by adjusting of the synthesis conditions. See Figure 1. It is noteworthy that in all the cases important amounts of bronze titanate TiO 2 (B) were detected, suggesting a possible implications of TiO 2 (B) based titanates in the growing mechanism of the different obtained nanostructures. This fact motivated deeper research around the possibility of having different kind of TiO 2 nanostructures, based in the presence of TiO 2 (B). For this reason we included structural and electronic properties of bulk polymorph of TiO 2 as a first step, and then proceeding with the evaluation of electronic structure implication of the related nanostructures by simulation of thick slabs. The evaluated bulk structures corresponds to: Rutile, Anatase and Monoclinic TiO 2 (B). We present the band gaps and surface energies, including relevant discussion in terms of possible geometrical reconstruction in the surface of the simulated nanostructures. As was mentioned before, the TiO 2 (B) phase is included due to experimental results, which agrees with an early report by Chen et al. [2] who obtained at least one of such phases performing the hydrothermal synthesis of the nanostructures [2], which was verified in this work. Since there is no much work on this kind of nanostructure, we present relevant information for DSSC implications. The simulations were performed using the Density Functional Theory[3], utilizing the exchange-correlation potential GGA-PBE, using SIESTA code[4], VASP[5], WIEN2k [6] and Gaussian 09[7]. SIESTA calculations were used for the structural optimization of bulk and slab models. After this surface energy was obatined by means of the plane wave code VASP, which adopts a plane-wave basis set. For bulk structures, we performed all-electron-full- potential-plane-wave code WIEN2k, in order to apply the recent modified-becke-johnson exchange potential + LDA-correlation [8], which allows better estimation for band gaps, closer to experimental ones. The comparison between these models is also based on the corresponding band gaps, and surface energy [9-10]. Finally, Gaussian 09 calculations were performed in order to obtain the UV/Vis spectra utilizing Time Dependent Density Fucnitonal Theory.

26 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica 24 Figure 1 TEM images obtained for TiO2-nanorods and nanotubes. According to our results, TiO 2 (B) (00l) surface presents an extremely low surface energy value, comparable to anatase (101). This results is extremely important, since it allow us to understand the reason of appearance of this phase during the synthesis of the TiO 2 based nanostructures. References [1] Grätzel, M. Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews 4, 2003, 145. [2] Chen, X. et al, Chem. Rev., 2007, 107, [3] Kohn, W.; Sham, L. J. Phys. Rev., 1965, 140, A1133. [4] Soler, J. M.; Artacho, E.; Gale, J. D.; García, A.; Junquera, J.; Ordejón, P.; Sánchez-Portal, D. J. Phys.: Condens. Matter, 2002, 14, [5] Kresse, G.; Hafner, J. Ab initio molecular dynamics for liquid metals. Phys. Rev. B,1993, 47:558. [6] Blaha, P.; Schwartz, K.; Madsen, G.K.H; Kvasnicka, D.; Luitz, J. WIEN2K, an augmented-plane-wave + local orbitals program for calculating crystal properties, Techn. Univ. Wien, Viena, Austria, [7] Frisch, M. J. et al. Gaussian, Inc., Wallingford CT, [8] Tran, F.; Blaha, P. Phys. Rev. Lett., 2009, 102, [9] Prezhdo, O. V. et al, Progress in Surface. Science, 2009, 84, 30. [10] Casarin, V. et al, ACS Nano 3, 2009, 317.

27 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica Electrical characterization and temperature-dependent of porous silicon/p-si heterojunction Edward Steven Oliveros,* Mario Andres Chavarria, Faruk Fonthal Rico Grupo de Materiales Avanzados para Micro y Nanotecnología, IMAMNT - Universidad Autónoma de Occidente, Calle 25 No , Cali, , CO In this paper we present the DC and AC electrical characterization and temperature dependence of Au/porous silicon/p-si, in order to investigate the conduction mechanisms in resistive and diode structures. The Porous Silicon layers were prepared by electrochemical etching in p-type silicon <100> substrates, with two resistivities. In the I-V characteristic we obtained an ohmic behavior for DC electrical analysis and in the impedance measurements we obtained the geometric and depletion capacitance, for the AC electrical analysis. The calculated activation energies were ~ 0,25 ev. Electrical equivalent circuits were used to fit the experimental frequency response of the magnitude and the phase. The DC and AC electrical characterization technique permits to separate the dielectric permittivity properties corresponding to the capacitances present in the relaxation region in the porous silicon layers (1). The AC impedance analysis is interpreted in terms of the admittance or impedance measurement and the equivalent electrical circuits is formed by RC networks in parallel, connected in series (2,3). AC impedance analysis is a powerful tool and has been widely used to analyze the electrical performance of both metal-semiconductor junctions and p-n junctions (4). The analysis of the frequency-capacitance-voltage characteristics present in an ideal abrupt junction has to be studied to understand the three capacitances effects in the heterojunction PS/c-Si as Low-Frequency Dispersion phenomenon (LFD), depletion capacitance (C dep ) and geometric capacitance (C 0 ) (5). An important aspect in these structures is the electrical contacts analysis on the PS layer and what is the dependence behavior when the voltage and temperature is variable. Various authors have been reported different mechanism, Schottky junctions symmetric in both voltages (6), the Ohmic conduction is dominated by the bulk resistance (7) and the power law SCLC (8). Figure 1 Temperature dependence in the conductor structure (left); Conductance and Capacitance characteristics fit using the CEALab, in the diode structure at 333 K (right).

28 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica 26 We obtained the typical electrical characteristic of conductor and diode structures. The use of the characterization software CEALab for fitting the parameter values of electrical and mathematical models was successfully developed using MatLab in order to get the most accurate behavior of the simulated models. The electrical model was the shunt combination of one RC network related to the porous layer (geometric capacitance), with another shunt RC network related to the silicon rod (depletion capacitance) and a series capacitance related to the Low-Frequency Dispersion phenomenon (LFD). The calculated average slopes in the log-log scale are 1.17, which implies that we can assume a quasi ohmic behavior in the conductor type for all samples studied. Finally, the parameters that represent the conduction mechanisms were determined. References [1] Axelrod, E. et al Dielectric relaxation and transport in porous silicon. Phys. Rev. B, 2002, 65, [2] Jonscher, A. K. Dielectric Relaxation in Solids. Chelsea Dielectrics, London, [3] Chavarria, M. A.; Fonthal, F. Electrical characterization and dielectric relaxation in Au/porous silicon contacts. Advances in Electroceramic Materials, Ceramic Transactions, 2009, 204, [4] Sze, S. M. Physics of Semiconductor Devices. Wiley, New York, [5] Fonthal, F.; Chavarria, M. A. Impedance spectra under forward and reverse bias conditions in gold/porous silicon/p-si structures. Phys. Status Solidi C, 2011, 8, [6] Rossi, A. M.; Bohn, H. G. Photodetectors from Porous Silicon. Phys. Status Solidi A, 2005, 202, [7] Theodoropoulou, M. et al Transient and ac electrical transport under forward and reverse bias conditions in aluminum/porous silicon/p-csi structures. J. Appl. Phys., 2004, 96, [8] Matsumoto, T. et al The density of states in silicon nanostructures determined by space-charge-limited current measurements. J. Appl. Phys., 1998, 84,

29 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica Transparent conducting oxide-free dye-sensitized solar cells based solely on flexible foils Caio Bonilha,*,a João Benedetti b, Ana Nogueira b, Agnaldo Gonçalves a a, Tezca P&D de Células Solares Ltda, Rua Lauro Vannucci, 1020 Jardim Santa Cândida, Campinas, Tel: Ext. 2400, BR b, Institute of Chemistry, University of Campinas UNICAMP, Campinas, SP, Brazil. Fax: ; Tel: , BR Dye-sensitized solar cells (DSCs) have attracted worldwide attention due to their potential low production cost, power conversion efficiency higher than 10%1 and ability to work at low light intensities. Moreover, they are Cd-free and do not use scarce elements (Ga, Se, Te, In). Nowadays, there are various Pt-free catalytic materials for the counter-electrode (CE)2, Rufree dyes3 and iodide-free electrolytes4. Since relatively cheap materials are employed in small amounts for assembling DSCs, the transparent conducting oxide (TCO) glass substrate contribution to the bill of materials becomes relatively high. Earlier calculations estimate the substrate could account for 24% or even up to 64%5 of the total materials costs for DSCs. Therefore, substrates should be carefully chosen in order to have low-cost DSCs. Relatively cheap substrates are available to replace ITO (In2O3:Sn). Among them, metal foils are interesting in light of their low cost, high electrical conductivity, and high-temperature processing ability, being effective barriers against O2 and water vapor diffusion, and presenting flexibility, proper mechanical stability and roll-to-roll (R2R) compatibility. Ultralowcost DSCs could be achieved by constructing both PE and CE on cheap metal foils, without any TCO glass substrate. Due to the opacity of metal foils, one way to circumvent illumination issues can be an architecture that employs a substrate endowed with thousands of through holes (via holes or vias), which would somewhat resemble the emitter wrap-through (EWT) approach in terms of the number of vias6. The metallization wrap-through (MWT) approach employs a smaller number of vias, but this could provide electrolyte mass transport problems when employing highly viscous iodide-free electrolytes. Vias allow metallization for bus bars to the back of some Si-based solar cells. In this work, vias allow an ionic pathway between photoelectrode (PE) and CE through the electrolyte. Even though this configuration resembles mesh-based DSCs7, it might provide some advantages, such as better mechanical properties of the PE, allowing highly efficient, truly flexible devices. The aim of this work is to improve the performance of DSCs based on metal foils for constructing both PE and CE. The influence of hole diameter on DSC performance was studied and preliminary optimization is also reported. Experimental section Stainless steel (SS) foils (AISI 301) were used as substrates for both PE and CE. Thousands of through holes were laser-drilled into an area of 4.8 cm2. TiO2 slurry was prepared according to a procedure reported elsewhere8. TiO2 paste was applied by doctor blading onto perforated SS foils and sintered at 450 ºC for 30 min. Electrodes were sensitized in a 0.25 mmol L- 1 ethanolic solution of the complex N719 (cis-bis(isothiocyanate)bis(2,2 -bipyridyl-4,4 - dicarboxylate)-ru(ii) bis-tetrabutylammonium, Everlight Chemical Ind. Corp.) for ca. 16 h. The electrolyte was 0.1 mol L-1 NaI, 0.8 mol L-1 tetrabutylammonium iodide, 0.05 mol L-1 I2 in methoxypropionitrile:acetonitrile (50:50 v/v). CE was a platinized, non-perforated SS foil. A metal oxide film was spray-coated over the metal foil, which serves as a Pt underlayer, to avoid short-circuiting. The CE was then prepared by the polyol method9 by using hexachloroplatinic acid. A 60-µm-thick double-faced adhesive was used as spacer between SS foils. A Li-ion battery separator was employed between the PE and the CE to avoid shortcircuiting.

30 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica 28 A polyethylene terephthalate (PET) transparent foil was used as a window layer, which was attached to the PE by using a 60-µm-thick double-faced adhesive. In the optimization studies, a TiO2 blocking layer (BL) was spray-coated onto the perforated foil. I-V curves of the DSCs were measured under AM 1.5 illumination using a solar simulator (Sciencetech Inc. model KW, class A) and a Keithley electrometer (model 2410-C), at the Centro de Tecnologia da Informação (CTI - Campinas, Brazil). Results and Discussion The choice of SS foils as the substrate was based on previous studies, which have shown its relatively higher corrosion stability in iodide-based electrolytes compared to other metal foils10. I-V curves of DSCs based on perforated SS foils with hole diameters of 0.10, 0.12, and 0.15 mm as PE substrate are shown in Fig. 1. When hole diameter increased from 0.1 to 0.15 mm, the open-circuit voltage (Voc) values were practically the same (ca V), as well as the photocurrent, even though the fill factor (FF) was improved significantly, probably due to better electrolyte mass transport properties. The performance of DSCs was improved by: treating the surface of the perforated SS foil with a gel chemical remover prior to porous TiO2 layer deposition, using a TiO2 BL (DSC 0.15A), and optimizing porous TiO2 layer deposition and electrolyte injection (DSC 0.15B). It can be seen in Fig. 1 that surface treatment of the perforated SS foil with a gel chemical remover and a TiO2 BL (DSC 0.15A) provided a ca. two-fold increase in performance. The gel chemical remover can strip oxide layers present on the surface of the SS foil, significantly improving charge collection at the substrate. The barrier effect of some oxide layers on metal foils has already been reported11. Additional performance improvement was observed by optimizing porous TiO2 layer deposition and electrolyte injection (DSC 0.15B, Fig. 1). Figure 1 I-V curves of DSCs based on flexible metal foils for the construction of both electrodes. DSCs were based on 6-µm-thick porous TiO2 layers on perforated SS foils with through hole diameters of 0.1 (DSC 0.10), 0.12 (DSC 0.12) or 0.15 mm (DSC 0.15) and liquid electrolyte. Measurements were carried out under 100 mw cm-2 (AM1.5) and the geometrical active area was 4.8 cm2. I-V curves represent the average behavior for at least 3 devices. DSC 0.15A and DSC 0.15B were the result of preliminary optimization of DSC 0.15 devices.

31 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica 29 In this work, FF is still rather poor (ca. 0.4). Experiments to improve FF include a thinner spacer between metal foils, thinner PE substrate foil, better electrolyte composition, use of an insulating oxide layer at the back of the perforated foil, more porous membrane separators, among others. The use of protection layers (SiO2, for example) might also lead to higher performances11. Even using relatively thin porous TiO2 layer, photocurrent densities higher than 5 ma cm- 2 could be successfully achieved in this initial study. The use of less expensive via drilling techniques compared to laser micromachining (chemical etching, for example) could make perforated metal foils very competitive compared to TCO glass. Conclusions In summary, the use of metal foils to assemble both electrodes of DSCs was demonstrated, providing lightweight, thin and truly flexible devices. Even though the performance from such a DSC configuration has not yet been fully optimized, it was observed that the treatment of the perforated SS foil surface provided a significant improvement in photocurrent. Preliminary optimization in TiO2 layer deposition and electrolyte injection provided further enhancement of performance, even though FF still needs to be improved significantly. Acknowledgments The authors thank FAPESP for financial support (09/ ). ASG (10/1682-3) and JEB (11/ ) thank FAPESP for scholarships. Two authors (CB, ADG) thank the company Celgard for providing Li-ion battery separator samples and CTI for technical support. JEB and AFN thank LNNano for technical support. References [1] Chiba, Y.; Islam, A.; Watanabe, Y.; Komiya, R.; Koide, N.; Han, L. Dye-sensitized solar cells with conversion efficiency of 11.1%. Jpn. J. Appl. Phys., 2006, 45, L638-L640. [2] Sun, H.; Qin, D.; Huang, S.; Guo, X.; Li, D.; Luo, Y.; Meng, Q. Dye-sensitized solar cells with NiS counter electrodes electrodeposited by a potential reversal technique. Energy Environ. Sci., 2011, 4, [3] Bessho, T.; Zakeeruddin, S. M.; Yeh, C.-Y.; Diau, E. W.-G.; Grätzel, M. Highly efficient mesoscopic dyesensitized solar cells based on donor acceptor-substituted porphyrins. Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49, [4] Daeneke, T.; Kwon, T.-H.; Holmes, A. B.; Duffy, N. W.; Bach, U.; Spiccia, L. High-efficiency dye-sensitized solar cells with ferrocene-based electrolytes. Nat. Chem., 2011, 3, [5] Kalowekamo, J.; Baker, E. Estimating the manufacturing cost of purely organic solar cells. Sol. Energy, 2009, 83, [6] Mingirulli, N.; Stüwe, D.; Specht, J.; Fallisch, A.; Biro, D. Screen-printed emitter-wrap-through solar cell with single step side selective emitter with 18.8% efficiency. Prog. Photovolt: Res. Appl., 2010, 19, [7] Fan, X.; Wang, F.; Chu, Z.; Chen, L.; Zhang, C.; Zou, D. Conductive mesh based flexible dye-sensitized solar cells. Appl. Phys. Lett., 2007, 90, [8] Avellaneda, C. O.; Gonçalves, A. D.; Benedetti, J. E.; Nogueira, A. F. Preparation and characterization of core-shell electrodes for application in gel electrolyte-based dye-sensitized solar cells. Electrochim. Acta, 2010, 55, [9] Sun, K.; Fan, B.; Ouyang, J. Nanostructured platinum films deposited by polyol reduction of a platinum precursor and their application as counter electrode of dye-sensitized solar cells. J. Phys. Chem. C, 2010, 114, [10] Toivola, M.; Ahlskog, F.; Lund, P. Industrial sheet metals for nanocrystalline dye-sensitized solar cell structures. Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2006, 90, [11] Kang, M. G.; Park, N.-G.; Ryu, K. S.; Chang, S. H.; Kim, K.-J. A 4.2% efficient flexible dye-sensitized TiO2 solar cells using stainless steel substrate. Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2006, 90,

32 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica Algunos desarrollos en Latinoamérica sobre celdas solares de sensibilización espectral Lorena Macor,*,a Javier Durantini a, Miguel Gervaldo a, Luis Otero a, Eva Barea b, Juan Bisquert b a, Universidad Nacional de Río Cuarto, Guatemala 570, Río Cuarto, 5800, Argentina b, Departament de Fisica Universitat Jaume I, Avda. Sos Baynat. Universitat Jaume I Castelló, España El corazón de estas celdas es un fotoánodo, que está basado en una película de un oxido semiconductor nanoestructurado cubierto por una monocapa de sensibilizador. Bajo excitación por luz, las moléculas de colorante adsorbido inyectan electrones desde su estado excitado hacia la banda de conducción del semiconductor. Los electrones vuelven al colorante oxidado a través de un circuito externo, un contraelectrodeo de platino y un sistema redox. El uso de TiO2 nanoestructurado unido a complejos de rutenio como sensibilizadores introducido por Grätzel y col. en el año 1991 [1-3] fue un gran avance en términos de aplicaciones comerciales, logrando un 10% de eficiencia de conversión de energía. En América latina, existe un amplio número de países que investigan acerca de la producción de energía eléctrica a partir de celdas solares. En este sentido puede decirse que Brasil es el país con mayor contribución al estudio de esta área, contando con más de 60 publicaciones. Además, Brasil es el primer país de América latina que realizó estudios en celdas solares de sensibilización espectral. A partir de 1998 y hasta el presente mostrando interesantes avances en todas las partes componentes de las celdas, ya sea en fotoánodos, electrolitos y sensibilizadores, así como en la performance de las celdas [4-8]. En México por su parte, también ha habido una intensa búsqueda de optimización de las DSSC, siendo la simulación computacional posiblemente el área que más se ha desarrollado. [9-11] Al igual que en México, en Cuba y en Colombia existen extensas investigaciones sobre los fotoelectrodos, solo que en estos últimos países el desarrollo de las DSSC ha sido posterior. [12,13] En lo que respecta a Perú, Chile y Uruguay, la investigación se encuentra diversificada en los distintos componentes y la performance de las celdas, sin embargo aún se encuentra muy en desarrollo. [14-16] Por último, en Argentina si bien las investigaciones en esta área son muy recientes, desde 2005 en adelante, se han encontrado un amplio progreso en lo que respecta a los sensibilizadores utilizados en las celdas solares sensibilizadas espectralmente [17,18 ] Como se dijo anteriormente, las DSSC son un sistema sofisticado, que aun no ha sido entendido en detalle, por lo que para mejorar tanto la eficiencia como la estabilidad, todos los elementos que componen la celda solar necesitan ser mejorados. Situándonos en uno de los componentes de la DSSC; por ejemplo el colorante utilizado, este necesita cumplir con ciertos requerimientos teóricos. [19] Primero, el LUMO del colorante debe estar por encima de la banda de conducción del semiconductor, y debe tener un buen solapamiento orbital para facilitar la inyección del electrón y además, el colorante debería tener una banda intensa de absorción en todo el espectro solar. Segundo, el colorante debe estar unido fuertemente a la superficie del semiconductor e inyectar los electrones en la banda de conducción con un rendimiento cuántico de la unidad, mientras que la recombinación de la carga entre el electrón inyectado y el colorante oxidado debería ser nula. Tercero, el potencial redox del colorante debería ser suficientemente más positivo que el de la cupla redox en el electrolito, tal que el colorante pueda ser regenerado rápidamente por las especies reducidas del electrolito. Finalmente, el colorante debería de ser químicamente estable. Hasta la fecha, los complejos de Rutenio II han sido los mejores sensibilizadores encontrados para las DSSC. [1,2] Sin embargo, la principal desventaja que poseen estos sensibilizadores es su débil absorción de energía en la región IR del espectro solar [19]. Para mejorar la performance de estos dispositivos, es necesario mejorar su respuesta en esta región. Las naftalocianinas poseen intensas bandas de absorción en la región IR del espectro solar, tienen excelente estabilidad térmica y química, y tienen propiedades redox adecuadas para la sensibilización de óxidos semiconductores de amplio band gap, lo que las hace atractiva para su uso en DSSC.

33 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica 31 Al llevarse a cabo la aplicación de naftalocianinas, que poseen una intensa banda de absorción entre 700 y 800 nm, como sensibilizadores espectrales, se encontraron muy buenos resultados. Figura 1 Espectro de fotocorriente, IPCE (rojo) de naftalocianina y espectro de absorción (negro) de naftalocianina sobre electrodo de TiO2 nanoestructurado Las celdas exhibieron un máximo de eficiencia en corriente por fotón incidente (IPCE) a aproximadamente 790 nm y se puede observar en la figura que existe muy poca agregación del colorante sobre la superficie del semiconductor. La estructura de la naftalocianina utilizada también se puede observar en la figura. Este fue el primer resultado de sensibilización IR obtenido con naftalocianinas, con la ventaja de que no tiene absorción en la zona visible, lo que permite su aplicación como ventana refrigerante. Referencias [1] O Regan, B.; Grätzel, M. Nature, 1991, 353, 737. [2] Nazeeruddin, M. K.; Kay, A.; Rodicio, I.; Humphry-Baker, R.; Müller, E.; Liska, P.; Vlachopoulos, N.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc., 1993, 115,6382. [3] Hagfeldt, A.; Grätzel, M. Chem. Rev., 1995, 95, 49. [4] Graziani Garcia, C.; Murakami Iha, N. Y.; Argazzi, R.; Bignozzi, C. A. J. Photochem. Photobiol. A: Chem., 1998, 115, [5] Nogueira, A. F.; De Paoli, M.A.; Montanari, I.; Monkhouse, R.; Nelson, J.; Durrant, J. R. J. Phys.Chem. B, 2001, 105, [6] Sousa Góes, M.; Joanni, E.; Muniz, E. C.; Savu, R.; Habeck, T. R.; Bueno, P. R.; Fabregat-Santiago, F. J. Phys. Chem. C, 2012, 116, [7] Benedetti, J. E.; Corrêa, A. A.; Carmello, M.; Almeida, L. C.P.; Goncalves, A. S.; Nogueira, A. F. Journal of Power Sources, 2012, 208, [8] Patrocinio, A.O. T.; El-Bachá, A. S.; Paniago, E. B.; Paniago, R. M.; Murakami Iha, N. Y. International Journal of Photoenergy. [9] Olea, A.; Ponce, G.; Sebastian, P.J. Solar Energy Materials & Solar Cells, 1999, 59, 137. [10] Villanueva, J.; Anta, J. A.; Guillén, E.; Oskam, G. J. Phys. Chem. C, 2009, 113,

34 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica 32 [11] Pérez-Hernández, G.; Vega-Poot, A.; Pérez-Juárez, I.; Camacho a, J.M.; Arés, O.; Rejóna, V.; Peña, J.L.; Oskam, G. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2012, 100, [12] Zumeta, I.; Espinosa, R.; Ayllón, J. A.; Vigil, E. Semicond. Sci. Technol., 2002, 17, [13] Bisquert, J.; Palomares, E.; Quiñones, C. A. J. Phys. Chem. B, 2006, 110, [14] Quintana, M.; Marinado, T.; Nonomura, K.; Boschloob, G.; Hagfeldt, A. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2009, 202, [15] Gajardo, F.; Barrera, M.; Vargas, R.; Crivelli, I.; Loeb, B. Inorg. Chem., 2011, 50, [16] Faccio, R.; Fernández-Werner, L.; Pardo, H.; Mombrú, A.W. Recent Patents on Nanotechnology, 2011, 5, [17] Gervaldo, M.; Fungo, F.; Durantini, E. N.; Silber, J. J.; Sereno, L.; Otero, L. J. Phys. Chem. B, 2005, 109, [18] Heredia, D.; Natera, J.; Gervaldo, M.; Otero, L.; Fungo, F.; Lin, C-Y; Wong, K-T. Org. Lett.,2010, 12, No. 1. [19] Nazeeruddin, M. K.; Pechy, P.; Renouard, T.; Zakeeruddin, S. M.; Humphry-Baker, R.; Comte, P.; Liska, P.; Cevey, L.; Costa, E.; Shklover, V.; Spiccia, L.; Deacon, G. B.; Bignozzi, C. A.; Grätzel, M. J. Am. Chem.Soc. 2001, 123, 1613.

35 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica Activación rápida de obleas de Si <100> tipo n con películas SOD de boro Jairo Plaza Castillo,*,a Alfonso Torres Jácome b a, Universidad del Atlántico, Carrera 37A No , Barranquilla, 80007, CO b, Insituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica, Calle Luis Enrique Erro, Tonantzintla, Puebla, 72840, MX, El desarrollo alcanzado en los procesos de fabricación de dispositivos semiconductores es tal que se han logrado disminuir los costos de producción y aumentado sus eficiencias. Aunque en esta evolución, procesos como la implantación de iones son difíciles de reemplazar, técnicas alternativas se han ido desarrollando [1,2], de tal manera que es posible prescindir del implantador de iones para la creación de regiones de semiconductor extrínseco. La obtención de regiones con iones eléctricamente activos requiere de un proceso térmico, cuya finalidad es la activación de los átomos dopantes, este proceso térmico tiene el inconveniente de que con él se generan profundidades de unión x j del orden de 0,4 m a 1,0 m[3], esto debido a las altas temperaturas y tiempos de activación prolongados (se requieren temperaturas superiores a 900 C y tiempos de más de 30 minutos para restaurar los daños causados por la implantación[4]). Los defectos en la estructura cristalina se minimizan al emplear como fuente de dopante películas ricas en iones depositadas en la superficie, es decir, películas SOD. La temperatura siempre debe ser tan alta como sea posible, así pues, la solución está en la disminución del tiempo de activación, esto se logra empleando la técnica RTP, en la cual las muestras se calientan por la absorción de radiación, proceso caracterizado por no ser en equilibrio térmico [5]. Preparación de las muestras Las soluciones SOD proveen una fuente de impurezas mediante la aplicación de una solución homogénea en el substrato. Esta solución debe tener una alta concentración del dopante con un mínimo de contaminantes. Las SOD se aplican sobre el substrato y por centrifugación de la oblea se logra su esparcimiento y homogeneidad. Con la velocidad de giro y el tiempo de rotación se le da a la película el espesor deseado, en algunos casos se sugiere diluir la solución para lograr películas más delgadas. La industria de fabricación de soluciones SOD provee de tres clases de estas soluciones: los compuestos basados en silicio, los formados por materiales orgánicos y silicio y los de materiales orgánicos y el dopante. Estos últimos se caracterizan por no ser higroscópicos y por no requerir del secado previo a la difusión. La película de SOD de boro se deposita a partir del SOD ofrecido por el fabricante y en este caso diluido hasta en una proporción de 4:1. Después de depositar y esparcir la SOD sobre el substrato, los solventes se evaporan y sobre la superficie queda el dopante conformando el compuesto B 2 O 3 [6]. Este depósito se hace a temperatura ambiente, de la siguiente manera: Se prepara la solución: 4 partes de metanol (CH 3 -OH) y una parte del soluto. Esta dilución garantiza más uniformidad en la oblea. Se derrama aproximadamente 1 ml de la solución sobre la oblea y se hace girar el spiner a 1000 rpm durante 60 segundos. Se secan las muestras en un horno a 110 C durante 15 minutos. Proceso de activación Con el proceso térmico, las moléculas de B 2 O 3 en contacto con los átomos de silicio tienen la siguiente reacción: 2BO 3 + Si 3SiO 2 + 4B

36 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica 34 Sobre la superficie del semiconductor se forma un óxido y los átomos de boro libres se difunden en el substrato y la concentración máxima depende de la temperatura, pues la concentración del boro en el semiconductor está limitada por la solubilidad en el cristal y esta concentración es como máximo igual al límite de solubilidad del boro en el silicio, magnitud que depende de la temperatura de difusión. La activación se hizo a 780, 860, 940 y 1050 C y se estandarizó el tiempo en 20 segundos para una mejor comparación. Sobre la superficie tiene lugar otra reacción cuando hay átomos de boro en exceso, el silicio reacciona con el boro formando las especies SiB x. Este borosilicato es difícil de remover químicamente, para ello se debe oxidar el silicio que está bajo la capa. El borosilicato se elimina al grabar el óxido con HF[7]. Resultados T( C) C max (cm -3 ) X j (nm) R s (W/cuad.) D(cm 2 /s) x x x x x x x x10 12 Los perfiles de concentración del boro activo se muestran en la figuray los resultados se consignan en la tabla. De la evaluación de los perfiles, se concluye lo siguiente: La difusión es mayor a la esperada. Inicialmente, las muestras son libres de defectos y daños estructurales, por lo tanto no se espera la presencia del TED[8,9], sin embargo, se reporta un D B =7.6x10 12 cm 2 /s a 1050 C, valor que es mayor a los obtenidos con muestras implantadas[10]. Este alto coeficiente se debe exclusivamente a la alta concentración superficial, que es mayor a la concentración intrínseca a las temperaturas de trabajo (n i(1100 C) = 1.5x10 18 cm 3 ) [11]. La concentración máxima está en la superficie y su altura está estrechamente relacionada con la temperatura. Se observa que la concentración máxima está restringida al valor del límite de solubilidad del boro en el silicio. Si se difunde a 860 C o menos la profundidad de unión x j es pequeña, valor deseable en tecnologías nanométricas, pero la resistividad es todavía alta. La difusión es fuertemente dependiente de la temperatura, a 1050 C D B es tan alto como 7.6x10 12 cm 2 /s. Esta alta difusividad hace que en un tiempo de 20s x j crezca rápidamente. Si se quiere x j < 400 nm, difundiendo a esta temperatura, debe tenerse un estricto control del tiempo. Con mayores temperaturas tendremos una mayor concentración del dopante y esto facilita la obtención de R s < 40 W/cuadro, la dificultad del proceso aumenta en el control del tiempo, pues este se hace cada vez más corto si se desean x j nanométricas.

37 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica 35 Figura 1 Perfiles de concentración de boro activo, obtenidos con la difusión de átomos de boro cuya fuente es una película de SOD. La difusión se hizo en un horno RTP. Conclusiones Se ha demostrado un proceso de difusión selectivo con una concentración superficial C s del orden de cm -3, que permite controlar profundidades de unión en el rango de 20 a 500 nm usando SOD como fuente y hornos RTP para efectuar el proceso difusivo. Esta propuesta resulta ser un método de fácil implementación, repetible y económico, adecuado para la obtención regiones dopadas de baja x j como las regiones de fuente y drenaje de los transistores pmos en tecnologías submicrométricas. Usando SOD en solución diluida 4:1 en volumen, depositada mediante centrifugación a 1000 rpm durante 60 segundos, y difundiendo a una temperatura de 1050 C, se logran uniones poco profundas shalow juntions con concentraciones superficiales del orden de cm -3. El perfil de impurezas es abrupto y resulta, en principio, en una baja resistencia de contacto. La alta concentración de impurezas en el SOD hace que el coeficiente de difusión aumente hasta valores de 7.6x10 12 cm2/s, a T= 1050 C. Esto que parece ser un problema, resulta en que este efecto de alta concentración hace que los perfiles de difusión obtenidos sean abruptos. 1. Los fabricantes de los materiales SOD garantizan películas compuestas por óxidos del átomo dopante. 2. La oblea de silicio <100> ha tenido el proceso de limpieza de rigor, incluyendo el grabado del óxido nativo. Referencias [1] Uchino, T.; Ashburn, P.; Kiyota, Y.; Shiba, T. A CMOS-Compatible Rapid Vapor-Phase Doping Process for CMOS Scaling, IEEE Trans. on Elect. Devices. Vol 51, No. 1, Jan 2004, pág [2] Youn, L. J. Boron Back Surface Field Using Spin-On Dopants by Rapid Thermal Processing, Journal of the Korean Physical Society, Vol. 44, No. 6, June 2004, pp [3] Caturla, M. J.; Johnson, M.D.; Diaz de la Rubia, T. The fraction of substitutional boron in silicon during ion implantation and thermal annealing, Applied Physics Letters, mayo 1998, vol. 72, No. 21. [4] Wolf, S.; Tauber, R. N. Silicon Processing For The VLSI Era: Volumen 1 Process Technology. 2a ed. Lattice Press. [5] Zhou, Y. Radiactive Modeling in Rapid Thermal Processing for Accurate Wafer Temperature Measurement, Tesis Doctoral, University of Florida, [6] Toan, N. N. Spin On Glass Materials and Applications in Advanced IC Technologies. Tesis de grado. Universidad de Twente, Hanoi (Vietnam), [7] Filmtronics Semiconductor Process Materials. Spin-On Diffusants, 2004.

38 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica 36 [8] Jain, S.C.; Stolk, P. A.; Decoutere, S.; Willander, M.; Maes, H. E. Transient enhanced diffusion of boron in Si. J. Appl. Phys. Vol 91, No. 11, Jun 2002, pág [9] Eaglesham, D. J.; Stolk, P. A.; Gossmann, H.-J.; Poate, J. M. Implantation and transient B diffusion in Si: The source of the interstitials. Appl. Phys. Lett. Vol 65, No. 18, Oct. 1994, pág [10] Kasnavi, R.; Griffin, P. B.; Plummer, J. D. A comparative Study of Dose Loss and Diff for B11 and BF2 implants, Mat- Res- Soc. Symp., Vol [11] Plaza, J.; Torres, A.; Malik, O.; Torres, N. Very shallow boron junctions in Si by implantation and SOD diffusion obtained by RTP. Microelectronics Journal, 2007.

39 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica Estado del arte del modelado y simulación del electrodo transparente con CNTs en celdas solares orgánicas. Caterin Salas Redondo,*,a,b Jose Luis Villa Ramirez a,b a)universidad Tecnológica de Bolívar, Parque Industrial y Tecnológico Carlos Vélez Pombo, Km 1 VíaTurbaco, Cartagena, , CO b) IEEE, CO Los avances de investigación en el uso de nanomateriales orgánicos en la fabricación de las celdas solares, son promisorios. A continuación se listan los más relevantes: - Fabricación de películas delgadas como electrodo transparente, los nanotubos de carbono han demostrado que reducen los reflejos en la superficie a menos de 1%, lo que ayuda significativamente en la captación de luz para la energía fotovoltaica (1) - Se ha demostrado que los CNT multicapas con un diámetro largo (100 nm) pueden ser usados como contra electrodo en las celdas solares sensibilizadas por colorante (Dye Sensitized Solar Cell DSSC ), mostrando una mejor reacción redox y una eficiencia de conversión de energía del 3% (2). Asimismo, se ha empleado al nanotubo de carbono multicapa recubierto de platino, para usarlo como capa catalítica en el contra electrodo, obteniendo una eficiencia de 6,5% en las DSSC (3). - En (4) se usaron tres tipos de películas de CNTs donde las películas de redes aleatorias de SWCNT sobre vidrio, mostraron un rendimiento razonable a la resistencia serie similar en comparación con flúor platinado de estaño dopado con revestimiento de óxidos de vidrio, las películas forestales de MWCNT alineados sobre acero Inconel y cuarzo tubo una actividad catalítica similar a la mencionada anteriormente, pero el rendimiento electroquímico de las películas se vio limitada por su alta porosidad y finalmente, las películas compuestas de nanopartículas de carbón presionadas sobre plástico de óxido-polietileno tereftalato de indio y estaño presentó la tasa mínima de transferencia de la resistencia como resultado de una combinación de alta actividad catalítica y empaquetamiento denso de la materia. - Redes aleatorias de CNT como electrodo transparente (5). Los resultados de simulación muestran que no es necesaria mucha densidad en la red de CNT si no se requiere y de hecho, degrada el rendimiento de la celda solar y la optimización de la densidad del CNT es fundamental para lograr el mejor equilibrio de la transparencia frente a todas las las eficiencias de la celda solar. El proceso de la acción de celdas solares, el cual se pueden dividir de la siguiente manera: Generación y difusión del excitón, disociación del excitón, el transporte de carga, recolección y transporte a través de la red aleatoria de CNT. - CNTs cultivados sobre un sustrato de metal (6) (usando la técnica MPCVD - Microwave Plasma Enhanced Chemical), como contra-electrodo en las DSSCs. Las propiedades electroquímicas del contra-electrodo fueron caracterizadas por la voltametría cíclica y la medición de la impedancia las cuales mostraron una alta densidad de corriente, se debe controlar tanto el diámetro como el volumen del CNT, para obtener mejores resultados en esta propiedad y tienen baja reducción de potencial y tienen mayor velocidad de reacción de reducción. El contra-electrodo con CNT alcanzó una eficiencia del 9%. - Por otro lado, en (7) las nanolaminas de grafeno (GNs) usadas como sustituto del Pt en los contra-electrodos de las DSSC presentaron que la temperatura de hibridación de materiales GNs juega un papel importante en la calidad del contra-electrodo de este material y el rendimiento fotovoltaico de la DSSC resultante fue de un 6.81%. En cuanto a desarrollos de modelos en simuladores, los aportes más relevantes son:

40 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica 38 En (8) se propone el modelamiento multiescala de Celdas solares en una PVM (Parallel Virtual Machine) basada en la configuración HPC (High Performance Computing). Se usó el lenguaje C# MPI (Message Passing Interface) en un entorno MCCS (Microsoft Compute Cluster Server), donde MPI ofrece un protocolo de comunicación de lenguaje independiente usado para comunicación punto a punto y comunicación mutua para el desarrollo de computación paralela. Los parámetros que proponen en la simulación son: - Nivel de fermi de un semiconductor intrínseco: - Aproximación analítica para el estado 1s menor excitado - Propiedades eléctricas de una DSSC: o Densidad de corriente de salida o Corriente de materiales fotovoltaicos de fullerenos o Factor de llenado o Absorción total de luz Por otro lado en (9) los criterios del modelado de celdas solares que proponen son: 1. Comprensión de la operación del dispositivo medido: - La dependencia de las características de los terminales (Voc, JSC, FF, η) - Estructuras del dispositivo (dimensiones, selección de materiales, el dopaje, etc.). - Parámetros del material (movilidad de portadores, vida útil, etc.) 2. Predicciones de rendimiento (eficiencia): - Diferentes condiciones de operación: Temperatura, las condiciones de iluminación, etc. 3. Planteamiento de las Condiciones de frontera: - Ley de la unión PN - Contactos 4. Definición de Parámetros: - Voltaje de circuito abierto - Factor de llenado - Eficiencia - Densidad de corriente 5. Deducción de las ecuaciones de los semiconductores: - Ecuación de Poisson - Ecuaciones de continuidad - Ecuaciones Drift-Diffussion En cuanto a la simulación, en (10) exponen: - Parámetros de Entrada: o Estructura de la célula solar: Composición, los contactos, el dopaje, las dimensiones. o Propiedades del material: Constante dieléctrica, la brecha de la banda de energía prohibida, afinidad electrónica, otros parámetros de la banda, los coeficientes de absorción, cargas portadoras movilidades, los parámetros de recombinación, etc. o Condiciones de funcionamiento: Temperatura de funcionamiento, aplicado Voltaje de polarización, el espectro de iluminación, de pequeña señal de frecuencia, los parámetros transitorios.

41 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica 39 - Parámetros de Salida: La solución numérica proporciona el valor del potencial V, y la concentración de portadores N y P, en cada punto dentro del dispositivo, desde donde se pueda calcular y mostrar: o Características del terminal, es decir, curva I-V, eficiencia de las celdas, la respuesta espectral, etc. (predictivo). o Visión microscópica de los parámetros internos, por ejemplo, la tasa de recombinación (es decir, pérdidas) (diagnóstico) La solución numérica que se implementa en las herramientas de simulación para resolver problemas con celdas solares es como sigue: - Transformación de las ecuaciones diferenciales en ecuaciones en diferencias en una cuadrícula espacial. - Conseguir gran conjunto de ecuaciones diferenciales no lineales. - El uso de un método generalizado de Newton para resolver las ecuaciones, resultando una secuencia iterativa de ecuaciones matriciales. Las herramientas de simulación para celdas solares usadas: - ADEPT (Gray, et. al. desde1980) o ADevice Emulation Program and Tool(box) o Arbitrary heterostructure solar cells (CIS, CdTe, a-si, Si, GaAs, AlGaAs, HgCdTe, InGaP, InGaN, etc.) o Fortran versión (1D, on Nanohub ) o C versiones (1D, 2D --3D) o Matlab toolbox (entorno 1D, 2D, 3D) - MEDICI, 2D Device Simulation Program. - SILVACO - Molecular Workbench - COMSOL - NanoFabrics: Spatial computing using molecular electronics This project wil introduce the steps to model and minulatic of CNT networks as transparent electrode for organic solar cells, so contributing to the development computational nanotechnology to improve solar cell properties. 1. Models of organic solar cells with CNT electrodes: Here are models derived from the literature review, most important for the project. Figure 1

42 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica Modeling: below is the modeling system to be used in the second stage of the project, according to the organic solar cells model presented above. Figure 2 3. Simulation: according to the HPC setup selected and the type of model to be simulated, we will choose one of the following computational tools for simulation run to be used in the third stage of the project. 3.1 Computational tools for nanodevice simulations: MEDICI, 2D Device Simulation Program. SCAPS Simulation Program. SILVACI. MOLECULAR WORKBENCH ADEPT (A Device Emulation Program and Toolbox) COMSOL. 3.2 NUMERICAL SOLUTION. This is the method of numerical solution that usually use the computational tools: 1. Transforming the differential equations in difference equations on a spatial grid: Getting large set of nonlinear differencial equations. 2. Using a generalized Newton method to solve: Resulting in a interatice sequence of matrix equations. References [1] Aitola, K.; Halme, J. et al. Comparison of dye solar cell counter electrodes based on different carbon nanostrustures. Thin Solid Films. 2011, Vol. 519, p [2] Zhang, D.W.; Li, X.D. et.al. Graphene-based counter electrode for dye-sensitized solar cells. Carbon Vol. 49, Issue 13. P ISSN [3] Topon, O.; Matsumoto, D & Inaguma, M. Carbon Nanotubes Counter Electrode for Dye-Sensitized Solar Cell. Fujikura Technicak Review. 2011, p [4] Pimparkar, N.; Chowalla, M; Alam, M.A. Device optimization for organic photovoltaics with CNT networks as transparent electrode. Novel Materials and Devices /10, p [5] Aitola, K.; Kaskela, A. et. al. Single-Walled Carbon Nanotube Thin-Film Counter Electrodes for Indium Tin Oxide-Free Plastic Dye Solar Cells. Journal of the Electrochemical Society Vol B1831- B1837. [6] Pathak, R.; Joshi, S. MPI & PVM based HPC setups for Multi-Scale Modeling Proc. IEEE International Advance Computing Conference, pp , [7] Pathak, R.; Joshi, S.; Kotak Kharagpur, P. Multi Scale Modeling of Nano Enable Solar cell with Implementation on an HPC Setup. Proc. Third IEEE International Conference on Power Systems [8] Gray, J.L. Solar Cells Lecture 3: Modeling and Simulation of Photovoltaic Devices and Systems, [9] Dragica, V. SILVACO Simulation of Solar Cells, 2011.

43 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica 41 [10] Dragica, V.; Klimeck, G. Solar Cells Operation and Modeling, [11] Glatkowski, P.; Turevskaya, E.; Britz, D. et. al. Carbon nanotube transparent electrodes: A case for photovoltaics. 34th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 2009, [12] Hwang, S.; Moon, J.; Lee, S. et. al. Carbon Nanotubes As Counter Electrode For Dye-Sensitised Solar Cells. Electron. Lett. 43, 2007, [13] Mathew, A.; Mohan, G.; Munichandraiah, N. Dye Sensitized Solar Cell Based on Platinum Decorated Multiwall Carbon Nanotubes as Catalytic Layer on the Counter Electrode. Materials Research Bulletin. 46, 2011, [14] Aitola, K.; Halme, J.; Halonen, N. et. al. Comparison of dye solar cell counter electrodes based on different carbon nanostructures. Thin Solid Films. 519, 2011, [15] Pimparkar, N.; Chowalla, M.; Alam, M. A. Device optimization for organic photovoltaics with CNT networks as transparent electrode. Novel Materials and Devices /0, 2008, 1-4. [16] Topon, O.; Matsumoto, D.; Inaguma, M. Carbon Nanotubes Counter Electrode for Dye-Sensitized Solar Cell. Fujikura Technical Review., 2011, P [17] Zhang, D.W.; Li, X.D.; Li, H.B.; Chen, S.; Sun, Z.; Yin, X.J.; Huang, S.M. Graphene-based counter electrode for dye-sensitized solar cells. Carbon. 49, 2011, [18] Pathak, R.; Joshi, S.; Kotak. P. Multi Scale Modeling of Nano Enable Solar cell With Implementation on an HPC Setup. IEEE Third International Conference on Power Systems , [19] Gray, J. L. Solar Cells Lecture 3: Modeling and Simulation of Photovoltaic Devices and Systems, 2011, [20] Gray, J. L. Solar Cells Lecture 3: Modeling and Simulation of Photovoltaic Devices and Systems, 2011,

44 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica Computational molecular nanoscience study of the properties of copper complexes for dye-sensitized solar cells Daniel Glossman Mitnik,* Jesús Baldenebro López CIMAV, SC, Miguel de Cervantes 120, Chihuahua, 31109, MX The current warming of the global climate is the result of an increase in greenhouse gas (GHG) emissions, particularly CO 2. Global average atmospheric CO 2 has increased from 280 ppm in the 1750s to 389 ppm in This increase has been attributed in great measure to emissions from fossil fuel combustion and industrial processes. In many remote locations where fossil fuel is the typical energy source; fossil fuel utilization presents serious environmental impacts and is subject to resource depletion due to its non-renewable status, which makes it necessary to find adequate substitutes and transition to sustainable energy sources. Renewables-based power systems provide an opportunity to generate cleaner electricity with a lower cost of energy; within renewable energy sources, solar energy is an attractive alternative for some countries (1). The direct conversion of sunlight into electric energy using solar cells is particularly interesting because it has a lot of advantages over other methods. Recently, dye sensitized solar cells (DSSC), considered as a credible alternative to conventional inorganic silicon-based solar cells, have attracted attention due to their efficiency, simple manufacturing and low cost (2). Theoretical studies on physical and chemical properties of dye-sensitizers are very important to understand the relationship between the structure, properties and performance in order to design and synthesize new molecules for this purpose (3). Copper(I) complexes display a wide variety of excited states and especially photophysical and photochemical processes. Particularly, copper(i)-poly-pyridine complexes exhibit low-lying MLCT transitions that can participate, among others, in electron transfer processes (4). We have proposed the study of a molecular system of this type; such as [Cu(LL) ]+ 2 (LL=2,2'- biquinoline-4,4'-dicarboxylic acid) which is shown in figure 1, in order to define from the theoretical point of view a suitable calculation methodology for obtaining structural parameters, as well as electrical and optical properties using the density functional theory (DFT) (5) and time-dependent (TD) DFT (6). In this study, we have tested the M06 family of density functionals; further, double zeta valence polarization (DZVP) for Cu atom and LANL2DZ pseudopotential basis sets for C, H, O and N atoms. The way selected to validate the level of calculation was using the experimental result of the absorption spectra compared with the theoretical calculation. The M06 functional provides greater prediction of the wavelength of maximum absorption; the experimental value is 564 nm while the result of our calculation is 552 nm. The optimized parameters of the molecular structure show a very small structural variation of the atoms bonded with respect to the characteristic lengths and angles reported in literature. For Cu-N atoms, the bond length is Å and the bond angle of the biquinoline and the metallic centre is 81.60º;. In the carboxylic acid, the length (Å) is: C=O, 1.245; C-O, 1.349; O-H, The strength constants and vibrational frequencies were determinated via analytic frequency calculations on stationary points obtained after geometry optimization. The vibrational bands indicate the presence of C-H, O-H, C=O and C-C bonds. All signals are described in the typical ranges.

45 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica 43 The charge transfer efficiency from the dye molecule to the nanocrystalline oxide is extremely important in the solar cell design. Since O'Regan and Grätzel published their pioneer study (7), the understanding of the mechanism has required fundamental research about the diverse physical phenomena at nanometric scale. Since the crucial electronic excitations occur from the highest occupied molecular orbitals (HOMO) to the lowest unoccupied molecular orbitals (LUMO), it is therefore important to form efficient charge-separated states with the HOMO localized on the donor subunit and the LUMO on the acceptor subunit. In this system, the HOMO orbital density is located over around the copper atom; meanwhile, the density of the LUMO orbital is in the ligand, tending to move toward the carboxyl groups. The HOMO- LUMO molecular orbitals' energetic position is another factor to consider; as the dye LUMO level must be greater than the conduction band level of nanocrystalline oxides that are commonly used in such devices. The value found is ev (Ru complex cation) and simultaneously performing the evaluation of the influence of anion species considering hexafluorophosphate (PF 6 - ) and chlorine (Cl - ). This shows the little activity that these species contribute to the energy levels. On the other hand, using the DFT framework makes it possible to find the chemical reactivity descriptors values. Chemical reactivity parameters were obtained by energy calculations (neutral and ionic state), taking into account the ground state geometry optimization. These parameters are the ionization potential (I = 9.80 ev), electron affinity (A = 4.79 ev), electronegativity (χ= 7.30 ev), chemical hardness (η= 2.50 ev) and electrophilic index ( Ω= ev). These results are of great importance, since they can be used during synthesis and they can also be employed in electronics and photovoltaics. References [1] Larraín, T.; Escobar, R., "Net Energy Analysis for Concentrated Solar Power Plants in Northern Chile" Renewable Energy 41, 2012, [2] Cheng, X.; Sun, S.; Liang, M.; Shi, Y.; Sun, Z.; Xue, S., "Organic Dyes Incorporating the Cyclopentadithiophene Moiety for Efficient Dye-Sensitized Solar Cells", Dyes and Pigments 92, 2012, [3] Cai-Rong, Z.; Zi-Jiang, L.; Yu-Hong, C.; Hong-Shan, C.; You-Zhi, W.; Li-Hua, Y., "DFT and TDDFT Study on Organic Dye Sensitizers D5, DST and DSS for Solar Cells", Journal of Molecular Structure: THEOCHEM 899, 2009, [4] Barrientos, L.; Araneda, C.; Loeb, B.; Crivelli, I. G., "Synthesis, Spectroscopic and Electrochemical Characterization of Copper(I) Complexes with Functionalized Pyrazino[2,3-f] -1,10-Phenanthroline, Polyhedron 27, 2008, [5] Hohenberg, P.; Kohn, W., "Inhomogeneous Electron Gas", Physical Review 136, 1964, B864-B871. [6] Burke, K.; Werschnik, J.; Gross, E. K. U., "Time-Dependent Density Functional Theory: Past, Present, and Future", The Journal of Chemical Physics 123, 2005, [7] O Regan, B.; Gratzel, M., "A Low-Cost, High-Efficiency Solar Cell Based on Dye-Sensitized Colloidal TiO2 Films", Nature 353, 1991,

46 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica Introducción al modelado y simulación del electrodo transparente con CNTs en celdas solares orgánicas Caterin Salas Redondo,*,a Jose Luis Villa Ramirez b a) Universidad Tecnológica de Bolívar, Parque Industrial y Tecnológico Carlos Vélez Pombo, Km 1 VíaTurbaco, Cartagena, , CO b) IEEE, CO La fabricación de las celdas fotovoltaicas inorgánicas son aquellas cuyo semiconductor es a base de material inorgánico (Si, AsGa, CuInS2, CIS, CdTe), son poco económicas, por ende, es necesario hallar una manera de producir celdas solares sin que la inversión económica sea costosa. Debido a esta dificultad tecnológica, se ha optado por usar semiconductores orgánicos en la fabricación de las celdas. Los paneles solares orgánicos no se contemplan como un sustituto a los de silicio como material semiconductor, sino un complemento para crear mejores fuentes de energía. En este caso, se plantea el uso de los nanotubos de carbono (CNT) como material semiconductor en la fabricación de celdas fotovoltaicas orgánicas. Los CNTs por sus propiedades (principalmente por su naturaleza orgánica), se convierten en un material de múltiples aplicaciones; en el campo de los paneles solares, han proyectado una tendencia prometedora al aumento de la eficiencia en la conversión de energía fotovoltaica a energía eléctrica en una menor área superficial del dispositivo, ya que se ha demostrado en (1) que se pueden utilizar en la capa activa de la celda, como una interfaz de colección de carga en el electrodo y como el oxido conductor transparente (Ver en la ilustración la comparación de los electrodos transparentes con CNTs y otros materiales convencionales usados en esta capa de la celda, donde se muestra un mejor comportamiento en los electrodos con CNTs, ya que la transparencia del electrodo se mantiene constante a lo largo del espectro de luz, lo cual es un resultado ideal para esta aplicación). Además, los nanotubos de carbono aplicados en las películas delgadas pueden reemplazar efectivamente las capas de oxido conductor (metal) que comúnmente se usan en las celdas solares de películas delgadas poli-cristalinas. Este trabajo presenta los avances en el estudio del modelamiento de electrodos de nanotubos de carbono (CNT) para celdas solares orgánicas, el cual será la base de partida para el posterior modelamiento de la interfaz de la celda solar y así determinar los parámetros indispensables para el mejoramiento de la eficiencia de conversión de energía. Como parte del trabajo se realizó un análisis de los simuladores aptos para dicho modelamiento tales como Medici, Comsol, Silvaco y Nanohub. El modelo del electrodo está basado en el de un diodo y tiene en cuenta los parámetros eléctricos, ópticos y geométricos de una celda CIGS, con los parámetros y características de un electrodo transparente con redes de nanotubos de carbono aleatorios definidos en (2). El modelo se implementa en COMSOL Multiphysics TM versión 4.2a, que resuelve el problema utilizando el método de elementos finitos. En el modelo grafico con geometría 2D se definen dos dominios los cuales representan las capas del electrodo transparente de una celda CIGS presentada en (3) y en cada dominio a su vez, se especifican los materiales de cada capa. Este tipo de electrodo consta de una capa delgada de óxido de zinc de alta resistencia (ZnO) y un contacto frontal transparente de aluminio dopado con óxido de zinc (ZnO:Al). La luz es absorbida en la celda solar y la corriente que se genera es dominada por la ecuación del diodo. Dicha absorción de luz se realiza en el contacto frontal transparente que conduce a pérdidas ópticas, por tal motivo es de vital importancia lograr la mayor transmisión de luz en esta etapa del proceso de generación de luz de las celdas solares. Dicho modelo se implementa usando los módulos de Transferencia de Calor en Sólidos (Heat Transfer in solids) y Corrientes Eléctricas (Electric fields). Al definir estas dos características (geometría y físicas que controlen el estudio) se establece las condiciones de frontera: - Potencial Eléctrico en el límite Derecho: V=Vcell

47 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica 45 - Potencial Eléctrico en el límite Izquierdo: Vo=0 - Aislamiento eléctrico (especifica que no fluye corriente a través de cualquiera de los límites exteriores): n J = 0 - Continuidad (especifica que las componentes normales de la corriente eléctrica son continuas a través del límite interior): n (J1 - J2) = 0 - Temperatura en el límite superior: Temperatura ambiente. - Temperatura en el limite inferior: To - Aislamiento térmico. La conductividad de los materiales, constantes y expresiones para la corriente generada, están delimitados por la expresión que define la densidad de corriente total, densidad de corriente de saturación y la densidad de corriente de corriente generada por luz. El software aplica automáticamente una malla a la geometría, al establecer el control del enmallado a las físicas que abordan el estudio y finalmente el tamaño de la malla es predefinido. Luego viene la etapa de solución donde el software incluye un conjunto de resolvedores numéricos. En este caso, se seleccionó el solucionador no lineal paramétrico y la compilación del conjunto de ecuaciones se realiza en el dominio del tiempo. Dichas ecuaciones son derivadas parciales que representan a todo el modelo y resuelve el problema. El modelo se resuelve para el potencial, Vcell, en el intervalo de 0V a 0.7V y cada voltaje dará una densidad de corriente de salida, J y esta a su vez disminuye a medida que el espesor de la capa de ZnO:Al se incrementa debido a la mayor absorción óptica de la luz en una capa más gruesa. Los resultados mostraron que para la misma variación de conductividad del electrodo y voltaje aplicado, se observa una variación de la resistencia laminar de 22,72Ω a 52,63 Ω (15% de variación) en el electrodo con un espesor de 0,4 μm; de 10,52Ω a 4,54Ω (3% de variación) en el electrodo con un espesor de 2 μm y de 7Ω a 3Ω (2% de variación) en el electrodo con un espesor de 3 μm. Idealmente la transmitancia del electrodo es de aproximadamente 96%, la cual se mantiene durante la variación de la resistencia laminar. Haciendo una relación, entre la variación de la resistencia laminar y la transmitancia del electrodo, se deduce que el espesor ideal para un electrodo de este tipo es de 2μ, el cual con una variación de 2% en su resistencia laminar mientras aumentaba la conductancia del material, obtuvo una transmitancia del 96%. Figura 1 Rendimiento óptico: Transmisión de luz visible de los electrodos de ITO, PEDOT y películas CNT. Fuente: Weeks, C.; "Flexible carbon nanotube transparent electrodes". Veritas et Visus, Flexible Substrate (2006).

48 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica 46 El modelado realizado hasta el momento será estructuralmente aplicado en el modelado de electrodos con nanotubos de carbono. Para ese punto se deberá incluir la TEORIA DE PERCOLACIÓN, con la cual se modelará la red de nanotubos de carbono finitos aleatoriamente dispersados en el área del electrodo. Este, se basará en el modelamiento planteado en (4). Los resultados obtenidos hasta el momento, serán punto de partida para la comparación teórica de un electrodo con material orgánico ZnO:Al, en contraste con uno de material nanoestructurado. Conclusiones - Se puede controlar la resistencia del electrodo mientras mantiene su transparencia, el control de la resistencia es lo que permite que sea flexible y resistente a la tracción ante cualquier tensión y sometimiento a cambios de ambientes. - Al mantener la resistencia relativamente constante, dará una conducción constante, por la relación entre densidad de carga y la resistencia. - Con un electrodo de espesor de 2μ se obtiene mejor transparencia óptica el cual con una variación de 2% en su resistencia laminar mientras aumentaba la conductancia del material, obtuvo una transmitancia del 96%. Trabajo Futuro: - Optimización del modelo utilizando las redes de nanotubos de carbono aleatorios como electrodo transparente, aplicando la teoría de percolación para obtener la distribución aleatoria en la red de nanotubos. - Conseguir el modelo de la celda completa a través del desarrollo del proyecto de investigación aprobado por el Departamento Administrativo de Ciencia, Tecnología e Innovación Colciencias, en el marco de la convocatoria de Jóvenes Investigadores del año o Obtener la Eficiencia Cuántica, QE, (número de pares electrón-hueco generados por fotón incidente en la celda solar). o Tener en cuenta el efecto de la longitud de onda de la luz incidente, λ, en el intervalo de 300 nm a 1300nm. (3) o Al conseguir los dos parámetros descritos anteriormente, calcular la densidad de corriente. - Implementación del modelo en la herramienta de simulación seleccionada: Comsol Multiphysics. - Se propone crear una herramienta de simulación open-source en Nanohub, para solucionar problemas pequeños de simulación. Esto puede ser un desarrollo del grupo de investigación de computación de la Universidad Tecnológica de Bolívar. Referencias [1] Adikaari, D.; Dissanayake, N.; Silva, R. Organic Inorganic Solar Cells: Recent Developments and Outlook. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics., 2010, 16, [2] Pimparkar, N.; Chowalla, M.; Alam, M. A. Device optimization for organic photovoltaics with CNT networks as transparent electrode. Novel Materials and Devices., 2008, /0, 1-4. [3] Johansson, J. Modelling and Optimization of CIGS Solar Cell Modules. Master's Thesis. Department of Energy and Building Design and Department of Architecture and Built Environment. Lund University, [4] Kumar, S.; Murthy, J.Y.; Alam, M. A. Percolating Conduction in Finite Nanotube Networks. Physical Review Letters., 2005, 95,

49 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica Electrical and optical characterization of photosensitive porous silicon devices. Faruk Fonthal Rico,*,a Clara Eugenia Goyes a, Marialena De los Rios b, Liliana Tirado b, Gerardo Fonthal b a, Grupo de Materiales Avanzados para Micro y Nanotecnología, IMAMNT - Universidad Autónoma de Occidente, Calle 25 No , Cali, , CO b, Grupo de Optoelectrónica, Universidad del Quindío, Cra 15, Calle 12 N, Armenia, CO The photosensitive properties of porous silicon (PS) layers on p-type silicon were studied in Au/PS/p-Si/Al structure. The optical characteristics of the photodiode were compared under different light sources: a cold white lamp with an IR filter and tungsten lamp used with the monochromatic spectrophotometer. We obtained a PS photoluminescence with two peak emission at 1,14eV and 2,11eV for the sample with HF etching time at 90 s. Gold thin films have been deposited on the PS surface to form metal-semiconductor contact and the linear dependence between the measured photocurrent and the illumination power are obtained. Porous silicon (PS) presents a large area-to-volume ratio, high resistivity and direct band gap energy (1). These intrinsic properties make the PS a suitable material for photodetectors (2). The optical property depends on the PS layer thickness and morphology. The minimization of the optical losses has been obtained by controlling the electrochemical etching for the formation of thin PS layers on p-type silicon and by improvements in the photodetector fabrication (3). Preliminary work with samples of PS made highly doped substrates has shown poor quantum efficiency. The sensitivities reported 0,3 A/W in near UV range and about to 0,5 A/W in near to IR range (2) and greater than 3 A/W at wavelength region in the near UV (4, 5) and IR (5). The effects of fabrication parameters on the photoluminescence of PS have been the subject of study in recent years, especially in the visible (6) and near UV (7) regions. The PS photodevices have attracted because of the easy fabrication, uniform and reproducible porous layer across the wafer, their simplicity and responsivity. Thus they represent a potential candidate for low cost monitoring, such as photodiode based on a Metal/PS/p-Si/Metal structure (8). Figure 1 Photoluminescence spectra of porous silicon layers (left); Transient response using the photodiode configuration, under illumination with a cold white lamp with IR filter measured at 10 V at room temperature (right).

50 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica 48 The PS layer was formed by electrochemical etching in ethanoic HF electrolyte (ethanol: HF 50%, 1:1 volume ratio). A positive voltage was applied between the backside aluminium contact and a platinum counter electrode. The etching current density was fixed at 5 ma/cm 2. We fabricated a sample with etching time of 90 s. This sample presented low porosity layers generation. This work has studied the influence of the porous silicon (PS) thickness and the measurement of the photodetection properties of PS/p-Si devices. In all the cases studied, the photocurrent increases linearly with the optical power being the slope close to 1. We obtained a PS photoluminescence with two peak emission at 1,14eV and 2,11eV for the sample with lower HF etching time. Although the device structure is not optimized, the sample prepared with the thinner PS layer presents a dark current of 40 na and a photocurrent of 50 ma in photoconductor mode, illuminated with a mw cold white lamp with IR filter, at 10 V. References [1] Parkhutik, V. Porous silicon-mechanisms of growth and applications. Solid-State Elect., 1999, 43, [2] Lee, M. K. et. Al mm and infrared-band photoresponsivity of a Schottky barrier porous silicon photodetector. Optics Lett., 2001, 26, [3] Kim, D. A.; Shim, J. H.; Cho, N. H. PL and EL features of p-type porous silicon prepared by electrochemical anodic etching. Appl. Surf. Sci., 2004, 234, [4] Rossi, A. M.; Bohn, H. G. Photodetectors from Porous Silicon. Phys. Status Solidi A, 2005, 202, [5] Fonthal, F. et. al. Electrical and optical characterization of porous silicon/p-crystalline silicon heterojunction diodes. AIP Conf. Proc., 2008, 992, [6] Naddaf, M.; Hamadeh, H. Visible luminescence in photo-electrochemically etched p-type porous silicon: Effect of illumination wavelength. Mat. Sci. & Eng. C, 2009, 29, [7] Song, H. et al Effect of surface modification by thermally oxidization and HF etching on UV photoluminescence emission of porous silicon. Appl. Surf. Sci.,2008, 254, [8] Hadjersi, T.; Gabouze, N. Photodetectors based on porous silicon produced by Ag-assisted electroless etching Opt. Mat., 2008, 30,

51 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica 49 Capítulo 3 Aspectos de Nanoenergía

52 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica Construcción y evaluación de un módulo de tres miniceldas pasivas de etanol directo Rubén J. Camargo, H. Lizcano-Valbuena, Diego F. Triviño-Bolaños* Universidad del Valle, Calle 13 No , Santiago de Cali, 57, CO La celda de combustible es un tipo de celda galvánica que permite la obtención deuna corriente eléctrica por conversión directa de la energía química a partir de la oxidación del combustible en el ánodo de manera silenciosa y eficiente (40-50 %)(Yuan, Tang, Wan, Pan, 2011). Entre los tipos de celda de combustible, las que se alimentan con alcoholes (DAFC), y que operan a baja temperatura, utilizan como electrolito una membrana de intercambio protónico con potencial uso comercial en dispositivos portátiles (Yuan et al., 2011). Generalmente, las celdas de combustible tienen un subsistema activo de alimentación de combustible que mantiene su desempeño constante. Sin embargo, la bomba, los sensores, los controles electrónicos y demás mecanismos contenidos en dichas celdas, incrementan significativamente la complejidad del sistema y espacio ocupado (Chen, Zhao, 2007) estos incrementos se reflejan en el consumo de energía extra (Baglio, Stassi, Matera, Antonucci&Aricò, 2009), disminución de la eficiencia y aumento del costo (Faghri, Guo, 2008). Por ejemplo, la densidad de energía del combustible en volumen en el caso de una microcelda prototipo podría ser de WhL-1, mucho mayor que la densidad de energía de la batería de Li-ion (aproximadamente 350 WhL-1) (Zhao, et al., 2010). Sin embargo, en la práctica, el sistema de densidad de energía en volumen es bastante bajo, normalmente WhL-1. Principalmente porque los componentes auxiliares consumen parte de la energía total, aumentando el volumen y peso (Sun, et al., 2011). Recientemente diversos autores reconocen que el rápido desarrollo tecnológico en el área de los dispositivos portátiles, exige fuentes de energía eficientes que operen en forma pasiva, de fabricación compacta y que permitan alimentar de manera continua dichos dispositivos (Sun, et al., 2011). En este contexto, se ha diseñado un módulo de tres miniceldas de combustible que operan en forma pasiva con etanol 2 M como combustible, donde el ensamble membrana-electrodo tiene un área de 0,25 cm 2. Para el ensamble, se utilizarontejido de carbono Electrochem Inc. como soporte de la capa catalítica anódica y catódica, conformada por nanoparticulas de Pt y Ru soportadas en carbono (PtRu/C) y nanoparticulas de Pt soportadas en carbono (Pt/C) respectivamente.las nanoparticulas son el catalizador que hace posible la conversión de la energía química del combustible en energía eléctrica útil. Como electrolito una membrana polimérica de Nafion 115. El ensamble membrana-electrodo (MEA) se llevó a cabo a una presión de 50 atm y 115 ºC por dos minutos. La inyección de combustible en el ánodo se realizó por capilaridad, y oxigeno del ambiente en el cátodo a través de respiraderos. Las placas bipolares fueron diseñadas utilizando placas de circuito impreso.en el presente trabajo, se analizaron: i) la estructura de la capa de difusor para el ánodo y el cátodo, ii) la optimización de las variables para la fabricación del MEA y iii) la eficiencia de la configuración modular. Los mejores resultados preliminares para una celda unitariafueron encontrados para una carga de PtRu/C de 2,0 mg, en el ánodo y 2,0 mg de Pt/C, en el cátodo a una concentración de 2 M. Bajo estas condiciones se obtiene una densidad de potencia de aproximadamente 0,7 mwcm -2 a una densidad de corriente de 3,0 macm -2 Rererencias [1] Baglio, V., Stassi, A., Matera, F. V., Antonucci, V., &Aricò, A. S. Investigation of passive DMFC mini-stacks at ambient temperature. Electrochimica Acta, 54, [2] Faghri, A.; Guo, Z. An innovative passive DMFC technology. Applied Thermal Engineering, 2008, 28, [3] Sun, L.; Liu, C.; Liang, J.; Zhu, X.; Cui, T. A self-pumping and selfbreathing micro direct methanol fuel cell with polymer bipolar plates. Journal of Power Sources, 2011, 196,

53 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica 51 [4] Yuan, W.; Tang, Y.; Wan, Z.; Pan, M. Operational characteristics of a passive air-breathing direct methanol fuel cell under various structural conditions. International Journal of Hydrogen Energy, 2011, 36, [5] Chen, R.; Zhao, T. S. A novel electrode architecture for passive directmethanol fuel cells. Electrochemistry Communications, 2007, 9, [6] Zhao, T. S.; Yang, W. W.; Chen, R.; Wu, Q. X. Towards operating directmethanol fuel cells with highly concentrated fuel. Journal of Power Sources, 2010, 195,

54 Nanotecnología para Energías en Latinoamérica The use of envirox tm in a single cylinder engine fueled with diesel fuel of 500 of sulphur and 7% of palm oil biodiesel at high altitudes (2650 MASL) Helmer Acevedo Gamboa* Universidad Nacional de Colombia, Carrera 30 No Edificio 453 Oficina 401, Bogota, 1046, CO The fast rising world prices of petroleum and of petroleum refined products, the need to reduce harmful emissions coming from fossil fuels, are reasons to promote the use of Nanotechnology additives for fossil fuels. Energenics is committed for helping to environmental protection around the world. The Engine Laboratory of Universidad Nacional de Colombia Campus Bogota has been working for many years to study impacts of additives in diesel fuel in Colombia. Colombian diesel fuel has a high quantity of sulphur (500 ppm). In addition, Colombia imports a lot of old technology engines which promotes particle matter and gaseous emissions. Unfortunately Bogota is the third Latin America city more pollutant. These are reasons to look for alternatives in order to decrease harmful emissions, improve fuel consumption, and promote good maintenance practices of in-use diesel vehicles in Colombia. Tests were conducted using Colombian diesel fuel additised with Envirox TM at a concentration of 1:4000 by volume (1 gallon of Envirox TM per gallons of diesel fuel). Results show that Nitric Oxides, Carbon Monoxide, Carbon Dioxide, and Opacity decreased with the use of Envirox TM. On the other hand, Brake Power increased and Brake Specific Fuel Consumption decreased when engine was running with Envirox TM. Experimental Setup Laboratories for IC-Engines and Exhaust Emission Control of the Universidad Nacional de Colombia (South America) are used to carry out the experiments. Universidad Nacional de Colombia is located in Bogota at 2650 meters above sea level and local ambient pressure is 75 kpa. Experiments have been carried out in a Single Cylinder Lister Engine. The engine specifications can be found in Table 1 and a photo of the engine is shown in the Figure 1. Table 1 Engine Specifications Figure 1 Single Cylinder Lister Engine