Células solares económicas y duraderas que no son de silicio

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Las células solares sensibilizadas por colorante  podrían hacer que la energía solar sea más asequible: son de fabricación más barata que las celdas solares de silicio convencionales y pueden imprimirse fácilmente sobre superficies flexibles. Pero hay un pequeño inconveniente: crear células eficientes de este tipo ha requerido tintes a base del metal precioso rutenio y electrolitos volátiles. Ahora los investigadores de la Academia China de Ciencias han sustituido ambos materiales en un nuevo tipo de celdas solares sensibilizadas por colorante que, además de ser muy eficientes, prometen ser incluso más baratas y más duraderas.

La clave del adelanto es una nueva molécula de colorante orgánico diseñada por el profesor de química Peng Wang y sus colegas. Los tintes orgánicos reducen el coste de fabricar las células porque son más abundantes y más baratos de obtener que los compuestos de rutenio. Los investigadores también utilizan un tipo diferente de electrolito llamado líquido iónico. Esto produce una celda solar más sólida: los electrolitos que se utilizan actualmente contienen solventes orgánicos que se pueden evaporar y que se fugan a temperaturas altas. El líquido iónico también puede utilizarse con plástico, lo que ofrece la posibilidad de producir células solares flexibles. «Por primera vez hemos demostrado que puede emplearse un tinte totalmente orgánico para crear celdas sin disolventes con una eficiencia alta comparable a los tintes de rutenio», explica Wang.

Con este avance, los investigadores han establecido un nuevo récord de eficiencia de las células que incorporan moléculas de colorante orgánico. Para competir con las celdas solares convencionales, las de colorante sensible tienen que ser al menos el 10% de eficientes al convertir luz en electricidad. Wang y sus colegas lograron un 9,8 por ciento de eficiencia con los nuevos tintes orgánicos. «Cuando logras llegar a eficiencias altas, los pequeños aumentos importan», indica Michael Grätzel, profesor de química de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Suiza) que inventó las células solares sensibilizadas por colorante. Para él es emocionante ver a los investigadores «acercándose tanto al 10 por ciento con los tintes orgánicos, ya que es un número mágico».

Cuando los investigadores unen el tinte orgánico con el líquido iónico, la eficiencia cae al 8,1 por ciento. Pero de todos modos es un avance importante, afirma Grätzel. El año pasado publicó estudios mostrando células similares con una eficiencia del 7,2%. Pero al unir electrolitos no volátiles con tintes de rutenio, ha logrado el 10%. «Hace 10 años pensamos que nunca obtendríamos más del 1%», aclara Grätzel.

En una célula solar sensibilizada por colorante, las nanopartículas semiconductoras cubiertas de tinte se insertan -junto con el electrolito- entre dos placas de vidrio. Las moléculas del tinte absorben la luz y generan electrones, que son transferidos al semiconductor y a un circuito externo. Mientras tanto, huecos de carga positiva van al electrolito. El gran problema con los tintes orgánicos en el pasado ha sido la dificultad de mantener las cargas separadas: tienden a recombinarse bajo corrientes menores.

La molécula de colorante que Wang y sus colegas diseñaron aumenta la eficiencia de la célula de tres maneras: transmite los electrones rápidamente a las partículas semiconductoras; evita que los electrones y los huecos se recombinen; y abarca un espectro más amplio de luz, absorbiendo más luz roja de la que era posible antes.

Al menos dos empresas están comercializando las células solares sensibilizadas por colorante.  Estos dispositivos tienen una eficiencia de hasta el 11% y utilizan tintes de rutenio  y un electrolito volátil. En octubre de 2008, Dyesol abrió una fábrica en Queanbeyan (Australia) para fabricar baldosas que se pueden integrar a las fachadas de los edificios. La G24 Innovaciones, en Cardiff (Reino Unido), está haciendo cargadores solares para teléfonos móviles.

Wang asegura que su nuevo estudio, publicado en línea en la revista Chemical Communications, podría hacer que la tecnología sea más barata y posibilite aplicaciones más amplias. «Por el momento, el uso de disolventes tóxicos y volátiles en células de alta eficiencia es un gran obstáculo para la aplicación a gran escala de células solares sensibilizadas por colorante», comenta.

Los investigadores están trabajando para impulsar aún más la eficiencia. Wang opina que eso implicará «sobre todo ampliar la respuesta de los sensibilizadores al espectro, para captar los infrarrojos, y el diseño de electrolitos libres de solventes”.

Mientras tanto, Grätzel y sus colegas en Lausanne se han fijado un objetivo elevado. Ellos esperan alcanzar eficiencias del 14% para finales del año próximo utilizando electrolitos no volátiles. En cuanto a los tintes, los de rutenio o los colorantes orgánicos podrían ganar la carrera, añade. Grätzel es optimista en cuanto a tintes orgánicos más baratos. «Si observas lo que ha aumentado la eficiencia de ambos, la pendiente es más pronunciada para las moléculas orgánicas. Extrapolando esto, éstas podrían ponerse por delante en un año o incluso antes» concluye.

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