La celda solar Graetzel
también conocida como célula solar sensibilizada por colorante (en inglés,
dye-sensitized solar cell, DSSC, DSC o DYSC1) produce electricidad mediante un
principio foto-electro-químico, cambiando la energía lumínica en energía
eléctrica. Son celdas solares de bajo costo pertenecientes a las células
solares de películas finas.2 Esta se conforma de un semiconductor formado
entre un ánodo foto sensible y un electrolito. La celda tiene propiedades
bastante atractivas ya que además de ser de bajo costo, es muy fácil de crear,
semiflexible, semitransparente o incluso transparente totalmente en aquellas
diseñadas últimamente. En la práctica el uso de esta celda muestra ciertos
inconvenientes como son el desgaste del electrolito o el ánodo en el uso a
ciertas condiciones ambientales. Sin embargo, aunque su eficiencia de
conversión de energía es menor que la de los paneles solares basados en
silicio, estos presentan una mejora en cuestión de precio de fabricación, por
lo que se convierte en un mejor candidato de distribución en masa. En la Unión
Europea se busca hacer uso mayoritario de este tipo de energías renovables para
el 2020.
Origen
La versión moderna de la
celda Grätzel fue originalmente co-inventada en 1988 por los químicos Brian
O'Regan, estadounidense, y Michael Grätzel, suizo, en la UC Berkeley3 y este
trabajo fue desarrollado más tarde por los científicos mencionados en la École
Polytechnique Fédérale de Lausanne hasta la publicación del primer DSSC de alta
eficiencia en 1991.4Michael Grätzel ha sido galardonado en 2010 con el Premio
de Tecnología del Milenio por esta invención.5
Después de haber perdido un
electrón la molécula del tinte se encuentra oxidada, es decir, tiene un
electrón menos que antes. La molécula del tinte recupera su estado inicial
cuando el electrón es reinyectado a través del electrodo simple. De esta manera
el proceso se transforma en un ciclo que genera una corriente eléctrica.
Construcción
Células de pigmento
fotosensible.
En el caso del diseño
original la celda contenía tres partes primarias. En la parte superior de una
placa hay un ánodo transparente hecho con flúor dopado de dióxido de estaño
(SnO2.F), en la parte trasera de la placa se encuentra una capa delgada de
dióxido de titanio (TiO2) la cual conforma una estructura altamente porosa que
cubre una gran área superficial. El TiO2 es capaz de absorber una fracción de
los fotones emitidos por el sol (aquellos con una longitud de onda
perteneciente la UV). Posteriormente se sumergen en un colorante fotosensible
(originalmente rutenio-polipiridina) y un solvente.
Después de un tiempo una
parte del colorante se queda enlazado covalentemente a la superficie de TiO2.
Otra placa se cubre con un electrólito de Iodo encima de una capa conductora,
típicamente un metal de platino (el cuál funciona como catalizador). Ambos
electrodos se sellan para prevenir fugas del electrolito. De esta manera el TiO2
es capaz de transformar la energía UV en energía eléctrica. El dióxido de
titanio se ha convertido como el semiconductor por excelencia en esta área.
Este compuesto tiene muchas ventajas para sensibilizar fotoquímicamente y
fotoelectroquímicamente. Es un material de bajo costo, fácil de obtener, no es
tóxico y es biocompatible.
Mecanismo de la celda solar Graetzel
El funcionamiento de estas
celdas se puede resumir en las siguientes tres etapas:
Interacción entre el sol y
la sustancia colorante.
Interacción entre la
sustancia colorante y el semiconductor.
Retorno de los electrones a
la celda para completar el circuito eléctrico.
Eficiencia
Se han usado diversas estrategias para caracterizar
a las celdas solares. La más común es la cantidad de energía eléctrica
producida en respuesta a una cantidad determinada de energía solar. Expresado
como un porcentaje conocido como eficiencia de conversión solar. En cuestiones
de eficiencia cuántica las celdas solares Graetzel son extremadamente
eficientes. Debido a la alta probabilidad de que un fotón sea absorbido en la
nanoestructura, además de que los colorantes son muy eficientes en convertir los
fotones absorbidos en electrones libres. Sin embargo, la mayor parte de la
perdida energética se debe a la conductividad del TiO2 o a perdidas ópticas en
la parte frontal del electrodo.
En los 2006 investigadores desarrollaron Celdas
Solares Graetzel con una eficiencia de 11%. Esto se debe a que han logrado
desarrollar un filme súper delgado de nanopartículas de TiO2 el cual permite un
mayor paso de electrones por su banda de conductividad.9 En los 2013 científicos
de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) lograron obtener una
eficiencia de 15% usando un material de estructura de perovskita (CaTiO3) como
recolector de luz y un material de transporte de huecos orgánico como remplazo
para el electrolito. Esto implica depositar un material de perovskita
directamente sobre una película de óxido metálico. El problema es que la
adición de todo el material y sus interacciones causan una variación en la
morfología y en su eficiencia al variar las condiciones como temperatura, lo
que causa una variación en su eficiencia y lo hace difícil de usar en
aplicaciones de uso diario. El problema pudo resolverse al aplicar un enfoque
de dos etapas una parte de la perovskita se deposita en los poros del andamio
de metal -óxido. En segundo lugar, la parte depositada se expone a una solución
que contiene el otro componente de la perovskita. Cuando las dos partes entran
en contacto, reaccionan instantáneamente y se convierten en el pigmento
sensible a la luz completa, lo que permite mucho mejor control sobre la morfología
de la célula solar.
Ventajas
Desventajas
La mayor desventaja de estas celdas es el uso del
electrolito líquido el cual tiene problemas de estabilidad con respecto a
cambios de temperatura. A temperaturas muy bajas el electrolito puede
congelarse de manera que los electrones no se puedan mover a las bandas de
conducción, teniendo menor eficiencia y potencialmente tener un daño físico en
la celda permanentemente. A temperatura altas el líquido se expande, lo que
vuelve difícil sellar los paneles de manera correcta. Otro inconveniente es que
la solución electrolítica contienes compuestos orgánicos volátiles (COV o VOC
por sus siglas en inglés), solventes que deben ser sellados cuidadosamente ya
que son peligrosos para el ser humano y el medio ambiente. Actualmente se ha
intentado remplazar el electrolito líquido por algún cristal o sales fundidas
solidificadas, pero estos sufren de degradación además de que no son
flexibles.
No hay comentarios.:
Publicar un comentario