Una célula solar sensibilizada por colorante ( DSSC , DSC , DYSC [1] o célula de Grätzel ) es una célula solar de bajo coste perteneciente al grupo de las células solares de película fina . [2] Se basa en un semiconductor formado entre un ánodo fotosensibilizado y un electrolito , un sistema fotoelectroquímico . La versión moderna de una célula solar de colorante, también conocida como célula de Grätzel, fue inventada originalmente en 1988 por Brian O'Regan y Michael Grätzel en UC Berkeley [3] y este trabajo fue desarrollado posteriormente por los científicos antes mencionados de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) hasta la publicación del primer DSSC de alta eficiencia en 1991. [4] Michael Grätzel recibió el Premio de Tecnología del Milenio 2010 por esta invención. [5]
El DSSC tiene una serie de características atractivas; es sencillo de fabricar utilizando técnicas convencionales de impresión en rollo, es semiflexible y semitransparente, lo que ofrece una variedad de usos que no son aplicables a los sistemas a base de vidrio, y la mayoría de los materiales utilizados son de bajo costo. En la práctica, ha resultado difícil eliminar una serie de materiales costosos, en particular platino y rutenio , y el electrolito líquido presenta un serio desafío para hacer una celda adecuada para su uso en cualquier clima. Aunque su eficiencia de conversión es inferior a la de las mejores celdas de película delgada , en teoría su relación precio/rendimiento debería ser lo suficientemente buena como para permitirles competir con la generación eléctrica con combustibles fósiles logrando la paridad de red . En la hoja de ruta fotovoltaica de la Unión Europea se había previsto que las aplicaciones comerciales, que se retrasaron debido a problemas de estabilidad química, [6] contribuirían significativamente a la generación de electricidad renovable para 2020.
En un semiconductor tradicional de estado sólido , una célula solar está hecha de dos cristales dopados, uno dopado con impurezas de tipo n ( semiconductor de tipo n ), que añaden electrones adicionales en la banda de conducción libre , y el otro dopado con impurezas de tipo p ( Semiconductor tipo p ), que añaden huecos de electrones adicionales . Cuando se ponen en contacto, algunos de los electrones de la porción de tipo n fluyen hacia la de tipo p para "rellenar" los electrones faltantes, también conocidos como huecos de electrones. Con el tiempo, fluirán suficientes electrones a través del límite para igualar los niveles de Fermi de los dos materiales. El resultado es una región en la interfaz, la unión p-n , donde los portadores de carga se agotan y/o acumulan en cada lado de la interfaz. En el silicio, esta transferencia de electrones produce una barrera de potencial de aproximadamente 0,6 a 0,7 eV. [7]
Cuando se colocan al sol, los fotones de la luz solar pueden excitar electrones en el lado tipo p del semiconductor, un proceso conocido como fotoexcitación . En el silicio, la luz solar puede proporcionar suficiente energía para empujar un electrón fuera de la banda de valencia de menor energía hacia la banda de conducción de mayor energía . Como su nombre lo indica, los electrones en la banda de conducción pueden moverse libremente por el silicio. Cuando se coloca una carga en toda la celda, estos electrones fluirán desde el lado tipo p hacia el lado tipo n, perderán energía mientras se mueven a través del circuito externo y luego fluirán de regreso al material tipo p donde pueden volver a combinarse con el agujero de la banda de valencia que dejaron atrás. De esta forma, la luz del sol crea una corriente eléctrica. [7]
En cualquier semiconductor, la banda prohibida significa que sólo los fotones con esa cantidad de energía, o más, contribuirán a producir una corriente. En el caso del silicio, la mayor parte de la luz visible, del rojo al violeta, tiene suficiente energía para que esto suceda. Desafortunadamente, los fotones de mayor energía, los que se encuentran en el extremo azul y violeta del espectro, tienen energía más que suficiente para cruzar la banda prohibida; Aunque parte de esta energía extra se transfiere a los electrones, la mayor parte se desperdicia en forma de calor. Otro problema es que para tener una posibilidad razonable de capturar un fotón, la capa de tipo n debe ser bastante gruesa. Esto también aumenta la posibilidad de que un electrón recién expulsado se encuentre con un agujero creado previamente en el material antes de alcanzar la unión p-n. Estos efectos producen un límite superior en la eficiencia de las células solares de silicio, actualmente alrededor del 20% para los módulos comunes y hasta el 27,1% [8] para las mejores células de laboratorio (33,16% es la eficiencia máxima teórica para las células solares de banda única, [ 9] ver límite de Shockley-Queisser ).
Con diferencia, el mayor problema del enfoque convencional es el costo; Las células solares requieren una capa relativamente gruesa de silicio dopado para tener tasas de captura de fotones razonables, y el procesamiento del silicio es costoso. Ha habido varios enfoques diferentes para reducir este costo durante la última década, en particular los enfoques de película delgada , pero hasta la fecha han visto una aplicación limitada debido a una variedad de problemas prácticos. Otra línea de investigación ha sido mejorar drásticamente la eficiencia mediante el enfoque de uniones múltiples , aunque estas células tienen un coste muy elevado y sólo son adecuadas para grandes implementaciones comerciales. En términos generales, los tipos de células adecuadas para su instalación en tejados no han cambiado significativamente en términos de eficiencia, aunque los costes han bajado algo debido al aumento de la oferta.
A finales de la década de 1960 se descubrió que los tintes orgánicos iluminados pueden generar electricidad en los electrodos de óxido de las celdas electroquímicas. [10] En un esfuerzo por comprender y simular los procesos primarios de la fotosíntesis, el fenómeno se estudió en la Universidad de California en Berkeley con clorofila extraída de espinacas (enfoque biomimético o biónico). [11] Sobre la base de tales experimentos, en 1972 se demostró y discutió la generación de energía eléctrica mediante el principio de la célula solar de sensibilización por tinte (DSSC). [12] La inestabilidad de la célula solar de tinte se identificó como el principal desafío. Su eficiencia pudo mejorarse durante las dos décadas siguientes optimizando la porosidad del electrodo preparado a partir de polvo fino de óxido, pero la inestabilidad siguió siendo un problema. [13]
Un DSSC de tipo n moderno, el tipo más común de DSSC, está compuesto por una capa porosa de nanopartículas de dióxido de titanio , cubierta con un tinte molecular que absorbe la luz solar, como la clorofila de las hojas verdes. El dióxido de titanio se sumerge bajo una solución electrolítica , encima de la cual se encuentra un catalizador a base de platino . Como en una pila alcalina convencional , un ánodo (el dióxido de titanio) y un cátodo (el platino) se colocan a cada lado de un conductor líquido (el electrolito).
El principio de funcionamiento de los DSSC tipo n se puede resumir en algunos pasos básicos. La luz del sol pasa a través del electrodo transparente hacia la capa de tinte, donde puede excitar electrones que luego fluyen hacia la banda de conducción del semiconductor tipo n , típicamente dióxido de titanio. Los electrones del dióxido de titanio luego fluyen hacia el electrodo transparente donde se recogen para alimentar una carga. Después de fluir a través del circuito externo, se reintroducen en la celda sobre un electrodo metálico en la parte posterior, también conocido como contraelectrodo, y fluyen hacia el electrolito. Luego, el electrolito transporta los electrones de regreso a las moléculas de tinte y regenera el tinte oxidado.
El principio de funcionamiento básico anterior es similar en un DSSC tipo p, donde el semiconductor sensibilizado por colorante es de naturaleza tipo p (típicamente óxido de níquel). Sin embargo, en lugar de inyectar un electrón en el semiconductor, en un DSSC de tipo p, un agujero fluye desde el tinte hacia la banda de valencia del semiconductor de tipo p . [14]
Las células solares sensibilizadas con tintes separan las dos funciones proporcionadas por el silicio en un diseño de célula tradicional. Normalmente, el silicio actúa como fuente de fotoelectrones y proporciona el campo eléctrico para separar las cargas y crear una corriente. En la célula solar sensibilizada por colorante, la mayor parte del semiconductor se utiliza únicamente para el transporte de carga, los fotoelectrones provienen de un tinte fotosensible separado . La separación de carga ocurre en las superficies entre el tinte, el semiconductor y el electrolito.
Las moléculas de tinte son bastante pequeñas (del tamaño de un nanómetro), por lo que para capturar una cantidad razonable de luz entrante, la capa de moléculas de tinte debe ser bastante gruesa, mucho más gruesa que las moléculas mismas. Para abordar este problema, se utiliza un nanomaterial como armazón para contener una gran cantidad de moléculas de tinte en una matriz tridimensional, aumentando la cantidad de moléculas para cualquier área de superficie celular determinada. En los diseños existentes, este andamiaje lo proporciona el material semiconductor, que cumple una doble función.
Uno de los componentes más importantes del DSSC es el contraelectrodo. Como se indicó anteriormente, el contraelectrodo es responsable de recolectar electrones del circuito externo e introducirlos nuevamente en el electrolito para catalizar la reacción de reducción de la lanzadera redox , generalmente I 3 − a I − . Por lo tanto, es importante que el contraelectrodo no sólo tenga una alta conductividad electrónica y capacidad de difusión , sino también estabilidad electroquímica, alta actividad catalítica y estructura de banda apropiada . El material de contraelectrodo más común utilizado actualmente es el platino en las DSSC, pero no es sostenible debido a sus altos costos y escasos recursos. Por lo tanto, gran parte de la investigación se ha centrado en descubrir nuevos materiales híbridos y dopados que puedan reemplazar al platino con un rendimiento electrocatalítico comparable o superior. Una de esas categorías que se está estudiando ampliamente incluye los compuestos calcógenos de cobalto , níquel y hierro (CCNI), en particular los efectos de la morfología, la estequiometría y la sinergia en el rendimiento resultante. Se ha descubierto que, además de la composición elemental del material, estos tres parámetros influyen en gran medida en la eficiencia del contraelectrodo resultante. Por supuesto, actualmente se están investigando una variedad de otros materiales, como carbonos altamente mesoporosos, [15] materiales a base de estaño , [16] nanoestructuras de oro , [17] así como nanocristales a base de plomo. [18] Sin embargo, la siguiente sección recopila una variedad de esfuerzos de investigación en curso relacionados específicamente con CCNI para optimizar el rendimiento del contraelectrodo DSSC.
Incluso con la misma composición, la morfología de las nanopartículas que componen el contraelectrodo juega un papel tan integral en la determinación de la eficiencia de la energía fotovoltaica en general. Debido a que el potencial electrocatalítico de un material depende en gran medida de la cantidad de superficie disponible para facilitar la difusión y reducción de las especies redox, numerosos esfuerzos de investigación se han centrado en comprender y optimizar la morfología de las nanoestructuras para los contraelectrodos DSSC.
En 2017, Huang et al. utilizaron varios tensioactivos en una síntesis hidrotermal asistida por microemulsión de cristales compuestos de CoSe 2 /CoSeO 3 para producir nanocubos, nanobarras y nanopartículas . [19] La comparación de estas tres morfologías reveló que las nanopartículas compuestas híbridas, debido a que tienen la mayor superficie electroactiva, tenían la mayor eficiencia de conversión de energía del 9,27%, incluso mayor que su contraparte de platino. No solo eso, la morfología de las nanopartículas mostró la densidad de corriente máxima más alta y la brecha de potencial más pequeña entre los potenciales máximos anódico y catódico, lo que implica la mejor capacidad electrocatalítica.
Con un estudio similar pero con un sistema diferente, Du et al. en 2017 determinó que el óxido ternario de NiCo 2 O 4 tenía la mayor eficiencia de conversión de energía y capacidad electrocatalítica como nanoflores en comparación con nanobarras o nanoláminas. [20] Du et al. Se dio cuenta de que explorar varios mecanismos de crecimiento que ayudan a explotar las áreas de superficie activa más grandes de las nanoflores puede brindar una oportunidad para extender las aplicaciones DSSC a otros campos.
Por supuesto, la composición del material que se utiliza como contraelectrodo es extremadamente importante para crear una energía fotovoltaica que funcione , ya que las bandas de energía de valencia y conducción deben superponerse con las de las especies de electrolitos redox para permitir un intercambio de electrones eficiente.
En 2018, Jin et al. prepararon películas ternarias de seleniuro de níquel cobalto (Ni x Co y Se) en varias relaciones estequiométricas de níquel y cobalto para comprender su impacto en el rendimiento de la celda resultante. [21] Se sabía que las aleaciones bimetálicas de níquel y cobalto tenían una estabilidad y una conducción de electrones excepcionales, por lo que optimizar su estequiometría idealmente produciría un rendimiento de celda más eficiente y estable que sus contrapartes metálicas individuales. Tal es el resultado que Jin et al. Se encontró que Ni 0,12 Co 0,80 Se logró una eficiencia de conversión de energía superior (8,61%), una menor impedancia de transferencia de carga y una mayor capacidad electrocatalítica que sus contrapartes de platino y seleniuro binario.
Una última área que se ha estudiado activamente es la sinergia de diferentes materiales para promover un rendimiento electroactivo superior. Ya sea a través de diversos materiales de transporte de carga, especies electroquímicas o morfologías, explotar la relación sinérgica entre diferentes materiales ha allanado el camino para materiales de contraelectrodos aún más nuevos.
En 2016, Lu et al. Micropartículas mezcladas de sulfuro de níquel y cobalto con nanoescamas de óxido de grafeno reducido (rGO) para crear el contraelectrodo. [22] Lu et al. Descubrieron no solo que el rGO actuaba como cocatalizador para acelerar la reducción del triyoduro, sino también que las micropartículas y el rGO tenían una interacción sinérgica que disminuía la resistencia a la transferencia de carga del sistema en general. Aunque la eficiencia de este sistema fue ligeramente inferior a la de su análogo de platino (eficiencia del sistema NCS/rGO: 8,96 %; eficiencia del sistema Pt: 9,11 %), proporcionó una plataforma sobre la que se pueden realizar más investigaciones.
En el caso del diseño original de Grätzel y O'Regan , la celda tiene 3 partes principales. Encima hay un ánodo transparente hecho de dióxido de estaño dopado con fluoruro (SnO 2 :F) depositado en la parte posterior de una placa (normalmente de vidrio). En la parte posterior de esta placa conductora hay una fina capa de dióxido de titanio (TiO 2 ), que forma una estructura muy porosa con una superficie extremadamente alta. El (TiO 2 ) se une químicamente mediante un proceso llamado sinterización . El TiO 2 sólo absorbe una pequeña fracción de los fotones solares (los de la radiación ultravioleta). [23] Luego, la placa se sumerge en una mezcla de un colorante fotosensible de rutenio y polipiridilo (también llamados sensibilizadores moleculares [23] ) y un disolvente . Después de remojar la película en la solución de tinte, se deja una fina capa de tinte unida covalentemente a la superficie del TiO 2 . El enlace es un enlace éster, quelante o puente bidentado.
Luego se fabrica una placa separada con una capa delgada de electrolito de yoduro extendida sobre una lámina conductora, generalmente metal platino . Luego, las dos placas se unen y se sellan para evitar fugas de electrolito. La construcción es tan simple que hay kits de hobby disponibles para construirlos a mano. [24] Aunque utilizan una serie de materiales "avanzados", estos son económicos en comparación con el silicio necesario para las células normales porque no requieren pasos de fabricación costosos. El TiO 2 , por ejemplo, ya se utiliza ampliamente como base de pintura.
Uno de los dispositivos DSSC eficientes utiliza un tinte molecular a base de rutenio, por ejemplo, [Ru(4,4'-dicarboxi-2,2'-bipiridina) 2 (NCS) 2 ] (N3), que está unido a un fotoánodo mediante restos de carboxilato. . El fotoánodo consta de una película de 12 μm de espesor de nanopartículas transparentes de TiO 2 de 10 a 20 nm de diámetro cubiertas con una película de 4 μm de espesor de partículas mucho más grandes (400 nm de diámetro) que dispersan los fotones nuevamente en la película transparente. El colorante excitado inyecta rápidamente un electrón en el TiO 2 después de la absorción de luz. El electrón inyectado se difunde a través de la red de partículas sinterizadas para ser recogido en el electrodo de óxido conductor transparente (TCO) del lado frontal, mientras que el tinte se regenera mediante reducción mediante una lanzadera redox, I 3 − /I − , disuelta en una solución. La difusión de la forma oxidada de la lanzadera al contraelectrodo completa el circuito. [25]
Los siguientes pasos convierten fotones (luz) DSSC convencionales de tipo n en corriente:
La eficiencia de un DSSC depende de cuatro niveles de energía del componente: el estado excitado (aproximadamente LUMO ) y el estado fundamental (HOMO) del fotosensibilizador, el nivel de Fermi del electrodo de TiO 2 y el potencial redox del mediador (I − /I 3 − ) en el electrolito. [26]
En DSSC, los electrodos consistían en nanopartículas semiconductoras sinterizadas, principalmente TiO 2 o ZnO. Estas DSSC de nanopartículas dependen de la difusión limitada por trampas a través de las nanopartículas semiconductoras para el transporte de electrones. Esto limita la eficiencia del dispositivo ya que es un mecanismo de transporte lento. Es más probable que la recombinación ocurra en longitudes de onda de radiación más largas. Además, la sinterización de nanopartículas requiere una temperatura alta de aproximadamente 450 °C, lo que restringe la fabricación de estas células a sustratos sólidos rígidos y robustos. Se ha demostrado que hay un aumento en la eficiencia de DSSC, si el electrodo de nanopartículas sinterizadas se reemplaza por un electrodo especialmente diseñado que posee una morfología exótica similar a la de una nanoplanta. [27]
En un DSSC de tipo n convencional, la luz solar ingresa a la célula a través del contacto superior transparente SnO 2 :F, golpeando el tinte en la superficie del TiO 2 . Los fotones que golpean el tinte con suficiente energía para ser absorbidos crean un estado excitado del tinte, a partir del cual se puede "inyectar" un electrón directamente en la banda de conducción del TiO 2 . Desde allí se mueve por difusión (como resultado de un gradiente de concentración de electrones) hasta el ánodo transparente en la parte superior.
Mientras tanto, la molécula de tinte ha perdido un electrón y la molécula se descompondrá si no se le proporciona otro electrón. El tinte elimina el yoduro del electrolito debajo del TiO 2 , oxidándolo a triyoduro . Esta reacción ocurre bastante rápido en comparación con el tiempo que tarda el electrón inyectado en recombinarse con la molécula de tinte oxidada, evitando esta reacción de recombinación que efectivamente provocaría un cortocircuito en la célula solar.
Luego, el triyoduro recupera el electrón que falta difundiendo mecánicamente hacia el fondo de la celda, donde el contraelectrodo reintroduce los electrones después de fluir a través del circuito externo.
Se utilizan varias medidas importantes para caracterizar las células solares. La más obvia es la cantidad total de energía eléctrica producida por una determinada cantidad de energía solar que incide sobre la celda. Expresado como porcentaje, esto se conoce como eficiencia de conversión solar . La potencia eléctrica es el producto de la corriente y el voltaje, por lo que también son importantes los valores máximos para estas mediciones, J sc y V oc respectivamente. Finalmente, para comprender la física subyacente, la "eficiencia cuántica" se utiliza para comparar la probabilidad de que un fotón (de una energía particular) cree un electrón.
En términos de eficiencia cuántica , las DSSC son extremadamente eficientes. Debido a su "profundidad" en la nanoestructura, existe una probabilidad muy alta de que un fotón sea absorbido y los tintes son muy eficaces para convertirlos en electrones. La mayoría de las pequeñas pérdidas que existen en los DSSC se deben a pérdidas de conducción en el TiO 2 y el electrodo transparente, o pérdidas ópticas en el electrodo frontal. La eficiencia cuántica general de la luz verde es de aproximadamente el 90%, y el 10% "perdido" se debe en gran medida a las pérdidas ópticas en el electrodo superior. La eficiencia cuántica de los diseños tradicionales varía según su grosor, pero es aproximadamente la misma que la del DSSC.
En teoría, el voltaje máximo generado por una celda de este tipo es simplemente la diferencia entre el ( cuasi- ) nivel de Fermi del TiO 2 y el potencial redox del electrolito, aproximadamente 0,7 V en condiciones de iluminación solar (V oc ). Es decir, si un DSSC iluminado se conecta a un voltímetro en un "circuito abierto", leerá aproximadamente 0,7 V. En términos de voltaje, los DSSC ofrecen V oc ligeramente más alto que el silicio, aproximadamente 0,7 V en comparación con 0,6 V. Esto es una diferencia bastante pequeña, por lo que las diferencias en el mundo real están dominadas por la producción actual, J sc .
Aunque el tinte es muy eficaz a la hora de convertir los fotones absorbidos en electrones libres en el TiO 2 , sólo los fotones absorbidos por el tinte producen en última instancia corriente. La tasa de absorción de fotones depende del espectro de absorción de la capa de TiO 2 sensibilizada y del espectro de flujo solar. La superposición entre estos dos espectros determina la fotocorriente máxima posible. Las moléculas de tinte utilizadas normalmente generalmente tienen una peor absorción en la parte roja del espectro en comparación con el silicio, lo que significa que se pueden utilizar menos fotones de la luz solar para la generación actual. Estos factores limitan la corriente generada por una DSSC; en comparación, una célula solar tradicional basada en silicio ofrece aproximadamente 35 mA / cm2 , mientras que las DSSC actuales ofrecen aproximadamente 20 mA/ cm2 .
La eficiencia máxima general de conversión de energía para los DSSC actuales es de aproximadamente el 11%. [28] [29] El récord actual de prototipos se sitúa en el 15%. [30] [31]
Las DSSC se degradan cuando se exponen a la luz. En 2014, la infiltración de aire de la capa de transporte de agujeros Spiro-MeOTAD amorfa, de uso común, se identificó como la causa principal de la degradación, en lugar de la oxidación. El daño podría evitarse añadiendo una barrera adecuada. [32]
La capa de barrera puede incluir estabilizadores de UV y/o cromóforos luminiscentes que absorben UV (que emiten en longitudes de onda más largas que pueden ser reabsorbidas por el tinte) y antioxidantes para proteger y mejorar la eficiencia de la célula. [33]
Los DSSC son actualmente la tecnología solar de tercera generación [34] (2005 Basic Research Solar Energy Utilization 16) más eficiente disponible. Otras tecnologías de película delgada suelen estar entre el 5% y el 13%, y los paneles de silicio comerciales tradicionales de bajo costo operan entre el 14% y el 17%. Esto hace que los DSSC sean atractivos como reemplazo de las tecnologías existentes en aplicaciones de "baja densidad", como los colectores solares en tejados, donde la robustez mecánica y el peso ligero del colector sin vidrio son una gran ventaja. Puede que no sean tan atractivos para implementaciones a gran escala donde las células de mayor costo y mayor eficiencia son más viables, pero incluso pequeños aumentos en la eficiencia de conversión DSSC podrían hacerlas adecuadas también para algunas de estas funciones.
Hay otra área en la que los DSSC son particularmente atractivos. El proceso de inyectar un electrón directamente en el TiO 2 es cualitativamente diferente del que ocurre en una celda tradicional, donde el electrón es "promovido" dentro del cristal original. En teoría, dadas las bajas tasas de producción, el electrón de alta energía del silicio podría volver a combinarse con su propio hueco, emitiendo un fotón (u otra forma de energía) que no genera corriente. Aunque este caso particular puede no ser común, es bastante fácil que un electrón generado por otro átomo se combine con un agujero dejado en una fotoexcitación previa.
En comparación, el proceso de inyección utilizado en el DSSC no introduce un agujero en el TiO 2 , sólo un electrón extra. Aunque energéticamente es posible que el electrón se recombine nuevamente en el tinte, la velocidad a la que esto ocurre es bastante lenta en comparación con la velocidad a la que el tinte recupera un electrón del electrolito circundante. También es posible la recombinación directa del TiO 2 con especies del electrolito aunque, nuevamente, para dispositivos optimizados esta reacción es bastante lenta. [35] Por el contrario, la transferencia de electrones desde el electrodo recubierto de platino a las especies en el electrolito es necesariamente muy rápida.
Como resultado de esta "cinética diferencial" favorable, las DSSC funcionan incluso en condiciones de poca luz. Por lo tanto, los DSSC pueden funcionar bajo cielos nublados y luz solar no directa, mientras que los diseños tradicionales sufrirían un "corte" en algún límite inferior de iluminación, cuando la movilidad del portador de carga es baja y la recombinación se convierte en un problema importante. El corte es tan bajo que incluso se propone su uso en interiores, recolectando energía para pequeños dispositivos de las luces de la casa. [36]
Una ventaja práctica que las DSSC comparten con la mayoría de las tecnologías de película delgada es que la robustez mecánica de la celda conduce indirectamente a mayores eficiencias a temperaturas más altas. En cualquier semiconductor, el aumento de la temperatura promoverá algunos electrones a la banda de conducción "mecánicamente". La fragilidad de las células de silicio tradicionales requiere que estén protegidas de los elementos, generalmente encerrándolas en una caja de vidrio similar a un invernadero , con un respaldo de metal para mayor resistencia. Estos sistemas sufren notables disminuciones en su eficiencia a medida que las celdas se calientan internamente. Los DSSC normalmente se construyen con solo una fina capa de plástico conductor en la capa frontal, lo que les permite irradiar calor mucho más fácilmente y, por lo tanto, operar a temperaturas internas más bajas.
La principal desventaja del diseño DSSC es el uso de electrolito líquido, que tiene problemas de estabilidad de la temperatura. A bajas temperaturas, el electrolito puede congelarse, deteniendo la producción de energía y potencialmente provocando daños físicos. Las temperaturas más altas hacen que el líquido se expanda, lo que hace que el sellado de los paneles sea un problema grave. Otra desventaja es que para producir un DSSC se necesitan costosos rutenio (tinte), platino (catalizador) y vidrio o plástico conductor (contacto). Un tercer inconveniente importante es que la solución de electrolitos contiene compuestos orgánicos volátiles (o COV) , disolventes que deben sellarse cuidadosamente porque son peligrosos para la salud humana y el medio ambiente. Esto, junto con el hecho de que los disolventes permean los plásticos, ha impedido su aplicación en exteriores a gran escala y su integración en una estructura flexible. [37]
Reemplazar el electrolito líquido por un sólido ha sido un importante campo de investigación en curso. Experimentos recientes que utilizan sales fundidas solidificadas han resultado prometedores, pero actualmente sufren una mayor degradación durante el funcionamiento continuo y no son flexibles. [38]
Las células solares sensibilizadas con tinte funcionan como un fotoánodo (n-DSC), donde la fotocorriente resulta de la inyección de electrones por parte del tinte sensibilizado. Los fotocátodos (p-DSC) funcionan en modo inverso en comparación con el n-DSC convencional, donde a la excitación del tinte le sigue una rápida transferencia de electrones desde un semiconductor tipo p al tinte (inyección de huecos sensibilizados por tinte, en lugar de inyección de electrones). . Estas p-DSC y n-DSC se pueden combinar para construir células solares en tándem (pn-DSC) y la eficiencia teórica de las DSC en tándem supera con creces la de las DSC de unión simple.
Una celda en tándem estándar consta de una n-DSC y una p-DSC en una configuración tipo sándwich simple con una capa de electrolito intermedia. n-DSC y p-DSC están conectados en serie, lo que implica que la fotocorriente resultante será controlada por el fotoelectrodo más débil, mientras que los fotovoltajes son aditivos. Por lo tanto, la coincidencia de fotocorriente es muy importante para la construcción de pn-DSC en tándem altamente eficientes. Sin embargo, a diferencia de las n-DSC, la recombinación de carga rápida después de la inyección de orificios sensibilizados con colorante generalmente resultó en fotocorrientes bajas en p-DSC y, por lo tanto, obstaculizó la eficiencia del dispositivo en general.
Los investigadores han descubierto que el uso de tintes que comprenden una perilenomonoimida (PMI) como aceptor y un oligotiofeno acoplado a trifenilamina como donante mejora en gran medida el rendimiento de p-DSC al reducir la tasa de recombinación de carga después de la inyección de orificios sensibilizados por tinte. Los investigadores construyeron un dispositivo DSC en tándem con NiO en el lado p-DSC y TiO 2 en el lado n-DSC. La adaptación de las fotocorrientes se logró mediante el ajuste de los espesores de las películas de NiO y TiO 2 para controlar las absorciones ópticas y, por lo tanto, hacer coincidir las fotocorrientes de ambos electrodos. La eficiencia de conversión de energía del dispositivo es del 1,91%, lo que supera la eficiencia de sus componentes individuales, pero sigue siendo mucho menor que la de los dispositivos n-DSC de alto rendimiento (6%-11%). Los resultados siguen siendo prometedores, ya que el DSC en tándem era en sí mismo rudimentario. La espectacular mejora en el rendimiento en p-DSC puede eventualmente conducir a dispositivos en tándem con mucha mayor eficiencia que los n-DSC solitarios. [39]
Como se mencionó anteriormente, el uso de un electrolito de estado sólido tiene varias ventajas sobre un sistema líquido (como la ausencia de fugas y un transporte de carga más rápido), lo que también se ha realizado para fotocátodos sensibilizados con colorantes. Utilizando materiales transportadores de electrones como PCBM, [40] TiO 2 [41] [42] y ZnO [43] en lugar del electrolito de pareja redox líquido convencional, los investigadores han logrado fabricar p-DSC en estado sólido (p-ssDSC), con el objetivo de para células solares sensibilizadas con tinte en tándem de estado sólido, que tienen el potencial de lograr fotovoltajes mucho mayores que un dispositivo tándem líquido. [44]
Los colorantes utilizados en las primeras células experimentales (alrededor de 1995) eran sensibles sólo en el extremo de alta frecuencia del espectro solar, en los rayos UV y en el azul. Rápidamente se introdujeron versiones más nuevas (alrededor de 1999) que tenían una respuesta de frecuencia mucho más amplia, en particular "terpiridina triscarboxi-rutenio" [Ru(4,4',4"-(COOH) 3 -terpy)(NCS) 3 ], que es eficiente directamente en el rango de baja frecuencia de la luz roja e IR . La amplia respuesta espectral da como resultado que el tinte tenga un color marrón oscuro intenso, y se lo denomina simplemente "tinte negro" . Al convertir un fotón en un electrón, originalmente alrededor del 80%, pero mejorando a una conversión casi perfecta en tintes más recientes, la eficiencia general es de aproximadamente el 90%, y el 10% "perdido" se debe en gran medida a las pérdidas ópticas en el electrodo superior.
Una célula solar debe ser capaz de producir electricidad durante al menos veinte años, sin una disminución significativa de su eficiencia ( vida útil ). El sistema de "tinte negro" fue sometido a 50 millones de ciclos, el equivalente a diez años de exposición al sol en Suiza. No se observó ninguna disminución perceptible en el rendimiento. Sin embargo, el tinte está sujeto a descomponerse en situaciones de mucha luz. Durante la última década se ha llevado a cabo un extenso programa de investigación para abordar estas preocupaciones. Los colorantes más nuevos incluían tetrocianoborato de 1-etil-3 metilimidazolio [EMIB(CN) 4 ], que es extremadamente estable a la luz y a la temperatura, cobre-diselenio [Cu(In,GA)Se 2 ] que ofrece mayores eficiencias de conversión, y otros con diferentes propiedades para propósitos especiales.
Los DSSC todavía se encuentran en el comienzo de su ciclo de desarrollo. Las ganancias de eficiencia son posibles y recientemente se han iniciado estudios más amplios. Estos incluyen el uso de puntos cuánticos para la conversión de luz de mayor energía (mayor frecuencia) en múltiples electrones, el uso de electrolitos de estado sólido para una mejor respuesta de temperatura y el cambio del dopaje del TiO 2 para que coincida mejor con el electrolito que se está utilizando.
Según se informa , un grupo de investigadores de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ha aumentado la termoestabilidad de DSC mediante el uso de sensibilizador de rutenio anfifílico junto con un electrolito de gel en estado cuasi sólido. La estabilidad del dispositivo coincide con la de una célula solar inorgánica convencional basada en silicio. La celda mantuvo el calentamiento durante 1000 h a 80 °C.
El grupo ha preparado previamente un colorante anfifílico de rutenio Z-907 (cis-Ru(H 2 dcbpy)(dnbpy)(NCS) 2 , donde el ligando H 2 dcbpy es el ácido 4,4′-dicarboxílico-2,2′-bipiridina. y dnbpy es 4,4′-dinonil-2,2′-bipiridina) para aumentar la tolerancia del tinte al agua en los electrolitos. Además, el grupo también preparó un electrolito de gel en estado casi sólido con un electrolito líquido a base de 3-metoxipropionitrilo (MPN) que se solidificó con un polímero de flúor fotoquímicamente estable, polivinilidenfluoruro -co- hexafluoropropileno (PVDF-HFP).
El uso del tinte anfifílico Z-907 junto con el electrolito de gel polimérico en DSC logró una eficiencia de conversión de energía del 6,1%. Más importante aún, el dispositivo se mantuvo estable bajo estrés térmico y empapado de luz. La alta eficiencia de conversión de la celda se mantuvo después de calentar durante 1000 h a 80 °C, manteniendo el 94% de su valor inicial. Después de pruebas aceleradas en un simulador solar durante 1000 h de absorción de luz a 55 °C (100 mW cm -2 ), la eficiencia había disminuido en menos del 5% para las células cubiertas con una película de polímero absorbente de ultravioleta. Estos resultados están dentro del límite de los de las células solares de silicio inorgánico tradicionales.
El rendimiento mejorado puede surgir de una disminución en la permeación del solvente a través del sellador debido a la aplicación del electrolito de gel polimérico. El electrolito de gel polimérico es casi sólido a temperatura ambiente y se convierte en un líquido viscoso (viscosidad: 4,34 mPa·s) a 80 °C en comparación con el electrolito líquido tradicional (viscosidad: 0,91 mPa·s). Las estabilidades muy mejoradas del dispositivo tanto bajo estrés térmico como bajo exposición a la luz nunca antes se habían visto en DSC, y coinciden con los criterios de durabilidad aplicados a las células solares para uso en exteriores, lo que hace que estos dispositivos sean viables para una aplicación práctica. [46] [47]
Se informó de las primeras células solares híbridas sólidas sensibilizadas con colorantes. [38]
Para mejorar el transporte de electrones en estas células solares, manteniendo al mismo tiempo la alta superficie necesaria para la adsorción de colorante, dos investigadores han diseñado morfologías semiconductoras alternativas, como matrices de nanocables y una combinación de nanocables y nanopartículas , para proporcionar un camino directo al electrodo a través de la banda de conducción de semiconductores. Estas estructuras pueden proporcionar un medio para mejorar la eficiencia cuántica de las DSSC en la región roja del espectro, donde su rendimiento es actualmente limitado. [48]
En agosto de 2006, para demostrar la robustez química y térmica de la célula solar de tetracianoborato de 1-etil-3-metilimidazolio, los investigadores sometieron los dispositivos a un calentamiento a 80 °C en la oscuridad durante 1.000 horas, seguido de una inmersión ligera a 60 °C durante 1000 horas. Después del calentamiento oscuro y la inmersión ligera, se mantuvo el 90% de la eficiencia fotovoltaica inicial: la primera vez que se observa una estabilidad térmica tan excelente para un electrolito líquido que exhibe una eficiencia de conversión tan alta. A diferencia de las células solares de silicio , cuyo rendimiento disminuye con el aumento de la temperatura, los dispositivos de células solares sensibilizadas con colorantes sólo se vieron influenciados de forma insignificante al aumentar la temperatura de funcionamiento de la temperatura ambiente a 60 °C.
Wayne Campbell de la Universidad Massey , Nueva Zelanda, ha experimentado con una amplia variedad de tintes orgánicos a base de porfirina . [49] En la naturaleza, la porfirina es el componente básico de las hemoproteínas , que incluyen la clorofila en las plantas y la hemoglobina en los animales. Informa una eficiencia del orden del 5,6% utilizando estos tintes de bajo costo. [50]
Un artículo publicado en Nature Materials demostró eficiencias celulares del 8,2% utilizando un nuevo electrolito redox líquido sin disolventes que consiste en una fusión de tres sales, como alternativa al uso de disolventes orgánicos como solución electrolítica. Aunque la eficiencia de este electrolito es inferior al 11 % que se obtiene con las soluciones existentes a base de yodo, el equipo confía en que la eficiencia se puede mejorar. [51]
Un grupo de investigadores de Georgia Tech fabricó células solares sensibilizadas con tintes con una mayor superficie efectiva envolviendo las células alrededor de una fibra óptica de cuarzo . [52] [53] Los investigadores quitaron el revestimiento de las fibras ópticas, hicieron crecer nanocables de óxido de zinc a lo largo de la superficie, los trataron con moléculas de tinte, rodearon las fibras con un electrolito y una película metálica que transporta electrones fuera de la fibra. Las celdas son seis veces más eficientes que una celda de óxido de zinc con la misma superficie. [52] Los fotones rebotan dentro de la fibra a medida que viajan, por lo que hay más posibilidades de interactuar con la célula solar y producir más corriente. Estos dispositivos solo recogen luz en las puntas, pero en el futuro se podrían fabricar células de fibra para absorber luz a lo largo de toda la fibra, lo que requeriría un recubrimiento que sea conductor y transparente . [52] Max Shtein de la Universidad de Michigan dijo que un sistema de seguimiento solar no sería necesario para tales células y funcionaría en días nublados cuando la luz es difusa. [52]
Investigadores de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne y de la Université du Québec à Montréal afirman haber superado dos de los principales problemas del DSC: [54]
Dyesol y Tata Steel Europe anunciaron en junio el desarrollo del módulo fotovoltaico sensibilizado por tinte más grande del mundo, impreso sobre acero en una línea continua. [56]
Dyesol y CSIRO anunciaron en octubre la finalización exitosa del segundo hito en el proyecto conjunto Dyesol/CSIRO. El director de Dyesol, Gordon Thompson, dijo: "Los materiales desarrollados durante esta colaboración conjunta tienen el potencial de avanzar significativamente en la comercialización de DSC en una variedad de aplicaciones donde el rendimiento y la estabilidad son requisitos esenciales. Dyesol está sumamente alentado por los avances en la química que permiten la producción. de las moléculas objetivo. Esto crea un camino hacia la utilización comercial inmediata de estos nuevos materiales". [57]
Dyesol y Tata Steel Europe anunciaron en noviembre el desarrollo específico de acero solar BIPV competitivo con paridad de red que no requiere tarifas de alimentación subsidiadas por el gobierno. Actualmente se están instalando techos TATA-Dyesol "Solar Steel" en el Centro de envolvente de edificios sostenibles (SBEC) en Shotton, Gales. [58] [59]
Investigadores de la Universidad Northwestern anunciaron [60] una solución a un problema principal de los DSSC, el de las dificultades para utilizar y contener el electrolito líquido y la consiguiente vida útil relativamente corta del dispositivo. Esto se logra mediante el uso de nanotecnología y la conversión del electrolito líquido en sólido. La eficiencia actual es aproximadamente la mitad que la de las celdas de silicio, pero las celdas son livianas y potencialmente su costo de producción es mucho menor.
Durante los últimos 5 a 10 años, se ha desarrollado un nuevo tipo de DSSC: la célula solar de estado sólido sensibilizada por colorante. En este caso, el electrolito líquido se reemplaza por uno de varios materiales conductores de orificios sólidos. De 2009 a 2013, la eficiencia de los DSSC de estado sólido aumentó drásticamente del 4 % al 15 %. Michael Grätzel anunció la fabricación de DSSC de estado sólido con una eficiencia del 15,0%, alcanzada mediante un tinte híbrido de perovskita CH 3 NH 3 PbI 3 , depositado posteriormente a partir de las soluciones separadas de CH 3 NH 3 I y PbI 2 . [31]
La primera integración arquitectónica se demostró en el Centro de Convenciones SwissTech de EPFL en asociación con Romande Energie. La superficie total es de 300 m 2 , distribuidos en 1400 módulos de 50 cm x 35 cm. Diseñado por los artistas Daniel Schlaepfer y Catherine Bolle. [61]
Los investigadores han investigado el papel de las resonancias de plasmones superficiales presentes en las nanobarras de oro en el rendimiento de las células solares sensibilizadas con colorantes. Descubrieron que con un aumento de la concentración de nanobarras, la absorción de luz crecía linealmente; sin embargo, la extracción de carga también dependía de la concentración. Con una concentración optimizada, descubrieron que la eficiencia general de conversión de energía mejoró del 5,31 al 8,86 % para las células solares sensibilizadas con colorante Y123. [62]
La síntesis de nanoestructuras unidimensionales de TiO 2 directamente sobre sustratos de vidrio de óxido de estaño dopados con flúor se demostró con éxito mediante una reacción solvotérmica de dos paradas . [63] Además, a través de un tratamiento con sol de TiO 2 , se mejoró el rendimiento de las células duales de nanocables de TiO 2 , alcanzando una eficiencia de conversión de energía del 7,65%. [64]
Se ha informado que los contraelectrodos a base de acero inoxidable para DSSC reducen aún más el costo en comparación con los contraelectrodos convencionales a base de platino y son adecuados para aplicaciones en exteriores. [65] [66]
Investigadores de EPFL han avanzado los DSSC basados en electrolitos redox complejos de cobre , que han alcanzado una eficiencia del 13,1% en condiciones estándar AM1.5G, 100 mW/cm 2 y registran una eficiencia del 32% con 1.000 lux de luz interior. [67] [68]
Investigadores de la Universidad de Uppsala han utilizado semiconductores de tipo n en lugar de electrolitos redox para fabricar células solares sensibilizadas con tintes de tipo p de estado sólido. [43] [42]
El campo de la energía fotovoltaica integrada en edificios (BIPV) ha llamado la atención de la comunidad científica debido a su potencial para reducir la contaminación y los costos de materiales y electricidad, así como para mejorar la estética de un edificio. [69] En los últimos años, los científicos han buscado formas de incorporar DSSC en aplicaciones BIPV, ya que los sistemas fotovoltaicos basados en Si dominantes en el mercado tienen una presencia limitada en este campo debido a sus métodos de fabricación que consumen mucha energía, baja eficiencia de conversión bajo intensidades de luz bajas y altos requisitos de mantenimiento. [70] En 2021, un grupo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Silesia en Polonia desarrolló un DSSC en el que el clásico contraelectrodo de vidrio fue reemplazado por un electrodo basado en una baldosa cerámica y una lámina de níquel. La motivación para este cambio fue que, a pesar de que los sustratos de vidrio han dado como resultado las eficiencias más altas registradas para DSSC, para aplicaciones BIPV como tejas o fachadas de edificios, son esenciales materiales más ligeros y flexibles. Esto incluye películas plásticas, metales, acero o papel, que también pueden reducir los costos de fabricación. El equipo descubrió que la celda tenía una eficiencia del 4% (cerca de la de una celda solar con un contraelectrodo de vidrio), lo que demostró el potencial para crear DSSC integradas en edificios que sean estables y de bajo costo. [71]
Los fotosensibilizadores son compuestos colorantes que absorben los fotones de la luz entrante y expulsan electrones, produciendo una corriente eléctrica que puede usarse para alimentar un dispositivo o una unidad de almacenamiento. Según un nuevo estudio realizado por Michael Grätzel y su colega científico Anders Hagfeldt , los avances en fotosensibilizadores han dado como resultado una mejora sustancial en el rendimiento de los DSSC en condiciones de luz solar y ambiental. Otro factor clave para lograr récords de conversión de energía es la cosensibilización, debido a su capacidad de combinar colorantes que pueden absorber luz en un rango más amplio del espectro luminoso. [72] La cosensibilización es un método de fabricación química que produce electrodos DSSC que contienen dos o más tintes diferentes con capacidades de absorción óptica complementarias , lo que permite el uso de toda la luz solar disponible. [73]
Investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) de Suiza descubrieron que la eficiencia de las células solares cosensibilizadas puede aumentarse mediante la preadsorción de una monocapa de derivado del ácido hidroxámico sobre una superficie de dióxido de titanio mesoporoso nanocristalino, que funciona como transportador de electrones. Mecanismo del electrodo. Las dos moléculas fotosensibilizadoras utilizadas en el estudio fueron el tinte orgánico SL9, que sirvió como principal captador de luz de longitud de onda larga, y el tinte SL10, que proporcionó un pico de absorción adicional que compensa la ineficiente captación de luz azul del SL9. Se descubrió que la adición de esta capa de ácido hidroxámico mejoraba el empaquetamiento y el ordenamiento molecular de la capa de tinte. Esto ralentizó la adsorción de los sensibilizadores y aumentó su rendimiento cuántico de fluorescencia , mejorando la eficiencia de conversión de energía de la célula. [74]
El DSSC desarrollado por el equipo mostró una eficiencia de conversión de energía récord del 15,2% bajo luz solar simulada global estándar y una estabilidad operativa a largo plazo de más de 500 horas. Además, los dispositivos con un área activa más grande mostraron eficiencias de alrededor del 30 % manteniendo una alta estabilidad, ofreciendo nuevas posibilidades para el campo DSSC. [74]
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