Las células solares de nanopartículas hacen que la luz funcione: Nature News

Un tipo de célula solar descubierta por primera vez hace 20 años finalmente podría volverse comercialmente viable gracias a las mejoras informadas en Ciencia hoy dia¹. Este diseño alternativo podría conducir a celdas imprimibles baratas que impulsarían enormemente el uso mundial de la energía solar.

El electroquímico Michael Grätzel del Instituto Federal Suizo de Tecnología en Lausana ideó la celda de nanocristales sensibilizados con colorante (DSC) en 1991. Utiliza moléculas de colorante orgánico para absorber la luz solar, cuya energía luego lanza electrones a diminutas nanopartículas de dióxido de titanio cerámico ( titania) sobre el que se asienta el tinte. Estos electrones son recolectados por electrodos para generar una corriente eléctrica.

La titania es en sí misma muy barata: en una forma de grano más grande, es el pigmento de la pintura blanca. Y las células mismas deberían ser fáciles de producir en masa. Grätzel y otros han desarrollado métodos para “imprimir” matrices de células solares de nanocristales en paneles de vidrio y láminas de metal.

Todo esto hace que los DSC parezcan una alternativa atractiva a las células fotovoltaicas convencionales, que generalmente están hechas de películas delgadas u obleas de silicio y son relativamente caras de producir.

Aumento de la eficiencia

Las DSC han logrado anteriormente eficiencias de hasta un 11%, un poco menos que las células fotovoltaicas de silicio comerciales, y ya se comercializan en pequeñas cantidades. La empresa G24 Innovations, con sede en Cardiff, Reino Unido, los vende en módulos flexibles montados en plástico, y varias otras empresas, especialmente en el este de Asia, los comercializan en paneles de vidrio que pueden integrarse en edificios.

Pero el uso de la tecnología se ha restringido hasta ahora. Los tintes utilizados para cosechar la luz solar contienen átomos de rutenio, un metal caro. Y debido a sus ineficiencias de conversión, los DSC también tienden a producir solo voltajes bajos (menos de 0,8 V).

Para completar el circuito eléctrico y reemplazar los electrones expulsados ​​del tinte, los DSC usan un compuesto químico para transportar electrones desde el segundo electrodo. Las células anteriores utilizan yodo disuelto, que recoge un electrón para formar iones tri-yoduro. Los iones se difunden a través del líquido entre los electrodos hasta que alcanzan las partículas de titania recubiertas de tinte.

Pero los iones de triyoduro no son una buena combinación para las energías de los electrones en las moléculas de tinte: desperdician energía transfiriendo sus electrones, lo que resulta en un voltaje de celda bajo y, por lo tanto, una potencia baja. El problema es que los portadores de electrones alternativos que se adaptan mejor a la transferencia de electrones sufren el hecho de que los electrones pueden volver a saltar sobre ellos desde los tintes, desperdiciando la energía solar absorbida.

Ahora Grätzel y sus colegas han encontrado buenas alternativas tanto a los costosos colorantes de rutenio como a los mediadores de yoduro que limitan el voltaje. “Es un artículo muy bonito y un avance significativo”, dice Jenny Nelson, especialista en células solares de polímeros y nanocristales en el Imperial College de Londres.

Para los tintes, el equipo de Grätzel utiliza moléculas complejas de tres partes que consisten en un grupo que pierde electrones fácilmente, un grupo que los acepta fácilmente y una unidad puente que contiene un grupo absorbente de luz relacionado con el de la clorofila.

Para el mediador de electrones, los investigadores utilizan moléculas orgánicas unidas a átomos de cobalto, que pueden cambiar entre dos estados mediante la ganancia o pérdida de un electrón. Adaptaron el tinte uniendo grupos químicos voluminosos que actúan como barreras, evitando el retroceso no deseado de electrones del mediador al tinte.

Los DSC resultantes han alcanzado voltajes récord (hasta 0,97 V) y eficiencias (hasta 12,3%). Si se puede aumentar la eficiencia hasta aproximadamente un 15%, los dispositivos deberían convertirse en competidores rentables de las células fotovoltaicas de silicio.

Problemas restantes

Sin embargo, hay otros problemas que resolver primero. En particular, el mediador de cobalto de Grätzel se disuelve en acetonitrilo, un solvente altamente volátil que no es adecuado para su uso en dispositivos prácticos, según Gerrit Boschloo, experto en DSC en la Universidad de Uppsala en Suecia, quien informó por primera vez sobre mediadores de cobalto en 2010.². Añade que el mediador que utiliza actualmente el equipo de Lausana probablemente no sea lo suficientemente estable para su uso a largo plazo.

Grätzel dice que está trabajando en estas y otras mejoras, por ejemplo, adaptando los tintes para capturar más del componente rojo de la luz solar y probando nuevos mediadores de cobalto que aumentan aún más el voltaje.

Este artículo originalmente decía que los DSC habían logrado en el pasado eficiencias ligeramente más altas que las fotovoltaicas convencionales. De hecho, lograron eficiencias ligeramente inferiores. El texto ha sido modificado para reflejar esto.

• Referencias

  1. Yella, A. et al. Ciencia 334, 629-634 (2011). | Artículo | ChemPort |
  2. Feldt, SM et al. Revista de la Sociedad Química Estadounidense 132, 16714-16724 (2010). | Artículo | PubMed | ISI | ChemPort |