Una célula solar sensibilizada por colorante ( DSSC , DSC , DYSC [1] o célula 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 Grätzel, fue originalmente co-inventada en 1988 por Brian O'Regan y Michael Grätzel en la UC Berkeley [3] y este trabajo fue desarrollado posteriormente por los científicos antes mencionados en la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) hasta la publicación de la primera DSSC de alta eficiencia en 1991. [4] Michael Grätzel ha sido galardonado con el Premio de Tecnología del Milenio 2010 por esta invención. [5]
La DSSC tiene una serie de características atractivas: es fácil 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 basados en vidrio, y la mayoría de los materiales utilizados son de bajo costo. En la práctica, ha demostrado ser difícil eliminar una serie de materiales caros, en particular el platino y el rutenio , y el electrolito líquido presenta un serio desafío para hacer que una celda sea adecuada para su uso en todas las condiciones climáticas. Aunque su eficiencia de conversión es menor que 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 de combustibles fósiles al lograr la paridad de red . Se había pronosticado en la Hoja de Ruta Fotovoltaica de la Unión Europea 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 de estado sólido tradicional , una célula solar está hecha de dos cristales dopados, uno dopado con impurezas de tipo n ( semiconductor de tipo n ), que añaden electrones libres adicionales a la banda de conducción , y el otro dopado con impurezas de tipo p ( semiconductor de 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. Finalmente, suficientes electrones fluirán 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 se 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 de 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 son libres de moverse por el silicio. Cuando se coloca una carga a lo largo de la celda en su conjunto, estos electrones fluirán desde el lado de tipo p hacia el lado de tipo n, perderán energía mientras se mueven a través del circuito externo y luego fluirán de regreso al material de tipo p donde pueden volver a combinarse con el agujero de la banda de valencia que dejaron atrás. De esta manera, la luz solar crea una corriente eléctrica. [7]
En cualquier semiconductor, la brecha de banda significa que sólo los fotones con esa cantidad de energía, o más, contribuirán a producir una corriente. En el caso del silicio, la mayoría de la luz visible desde el rojo hasta el violeta tiene suficiente energía para que esto suceda. Desafortunadamente, los fotones de mayor energía, aquellos en el extremo azul y violeta del espectro, tienen energía más que suficiente para cruzar la brecha de banda; aunque parte de esta energía adicional 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 tiene que 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 llegar a 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 células solares de una sola brecha de banda, [9] consulte el límite de Shockley-Queisser ).
El mayor problema con el enfoque convencional es, con diferencia, el coste; 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 caro. Ha habido varios enfoques diferentes para reducir este coste durante la última década, en particular los enfoques de película fina , pero hasta la fecha han tenido una aplicación limitada debido a una variedad de problemas prácticos. Otra línea de investigación ha sido la de mejorar drásticamente la eficiencia mediante el enfoque de unión múltiple , aunque estas células tienen un coste muy elevado y sólo son adecuadas para grandes instalaciones comerciales. En términos generales, los tipos de células adecuadas para su instalación en tejados no han cambiado significativamente en cuanto a eficiencia, aunque los costes han bajado algo debido al aumento de la oferta.
A finales de los años 1960 se descubrió que los colorantes orgánicos iluminados pueden generar electricidad en electrodos de óxido en 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, la generación de energía eléctrica a través del principio de celda solar de sensibilización de colorante (DSSC) se demostró y discutió en 1972. [12] La inestabilidad de la celda solar de colorante se identificó como un desafío principal. Su eficiencia podría, durante las siguientes dos décadas, mejorarse optimizando la porosidad del electrodo preparado a partir de polvo de óxido fino, pero la inestabilidad siguió siendo un problema. [13]
Una DSSC moderna de tipo n, el tipo más común de DSSC, está compuesta por una capa porosa de nanopartículas de dióxido de titanio , recubierta de 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 , sobre la cual hay un catalizador a base de platino . Al igual que en una batería alcalina convencional , se colocan un ánodo (el dióxido de titanio) y un cátodo (el platino) a cada lado de un conductor líquido (el electrolito).
El principio de funcionamiento de las DSSC de tipo n se puede resumir en unos pocos 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 de tipo n , típicamente dióxido de titanio. Los electrones del dióxido de titanio fluyen luego hacia el electrodo transparente, donde se recogen para alimentar una carga. Después de fluir a través del circuito externo, se reintroducen en la celda en 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 básico de funcionamiento descrito anteriormente es similar en un DSSC de tipo p, donde el semiconductor sensibilizado con colorante es de naturaleza de tipo p (normalmente óxido de níquel). Sin embargo, en lugar de inyectar un electrón en el semiconductor, en un DSSC de tipo p, un hueco fluye desde el colorante hacia la banda de valencia del semiconductor de tipo p . [14]
Las células solares sensibilizadas con colorante separan las dos funciones proporcionadas por el silicio en un diseño de célula tradicional. Normalmente, el silicio actúa como fuente de fotoelectrones y como generador del campo eléctrico para separar las cargas y crear una corriente. En la célula solar sensibilizada con colorante, la mayor parte del semiconductor se utiliza únicamente para el transporte de carga; los fotoelectrones se proporcionan a partir de un colorante fotosensible independiente . La separación de cargas se produce en las superficies entre el colorante, el semiconductor y el electrolito.
Las moléculas de tinte son bastante pequeñas (de tamaño nanométrico), 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 andamio para contener grandes cantidades de moléculas de tinte en una matriz tridimensional, lo que aumenta el número 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 de DSSC es el contraelectrodo. Como se dijo antes, 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 solo tenga 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 que se usa actualmente es el platino en DSSC, pero no es sostenible debido a sus altos costos y recursos escasos. Por lo tanto, mucha 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 compuestos calcógenos de cobalto , níquel y hierro (CCNI), particularmente 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 tienen un gran impacto en la eficiencia resultante del contraelectrodo. Por supuesto, actualmente se están investigando otros materiales, como los 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 específicamente relacionados con CCNI para optimizar el rendimiento del contraelectrodo DSSC.
Incluso con la misma composición, la morfología de las nanopartículas que forman el contraelectrodo desempeña un papel fundamental 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 área superficial disponible para facilitar la difusión y reducción de las especies redox, se han centrado numerosos esfuerzos de investigación en comprender y optimizar la morfología de las nanoestructuras para los contraelectrodos DSSC.
En 2017, Huang et al. utilizaron varios surfactantes en una síntesis hidrotermal asistida por microemulsión de cristales compuestos de CoSe2 /CoSeO3 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 área de superficie electroactiva, tuvieron la mayor eficiencia de conversión de energía de 9.27%, incluso más alta que su contraparte de platino. No solo eso, la morfología de la nanopartícula mostró la mayor densidad de corriente pico y la menor brecha de potencial entre los potenciales pico anódico y catódico, lo que implica la mejor capacidad electrocatalítica.
Con un estudio similar pero un sistema diferente, Du et al. en 2017 determinaron que el óxido ternario de NiCo2O4 tenía la mayor eficiencia de conversión de energía y capacidad electrocatalítica como nanoflores en comparación con las nanobarras o nanohojas. [20] Du et al. se dieron cuenta de que explorar varios mecanismos de crecimiento que ayudan a explotar las áreas de superficie activa más grandes de las nanoflores puede proporcionar una apertura para extender las aplicaciones de DSSC a otros campos.
Por supuesto, la composición del material que se utiliza como contraelectrodo es extremadamente importante para crear un sistema fotovoltaico funcional , 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 y cobalto (Ni x Co y Se) en varias proporciones 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 conducción y estabilidad de electrones excepcionales, por lo que optimizar su estequiometría produciría idealmente un rendimiento de celda más eficiente y estable que sus contrapartes metálicas individuales. Tal es el resultado que encontraron Jin et al. , ya que Ni 0.12 Co 0.80 Se logró una eficiencia de conversión de energía superior (8.61%), menor impedancia de transferencia de carga y mayor capacidad electrocatalítica que sus contrapartes de platino y seleniuro binario.
Un último campo 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, el aprovechamiento de la relación sinérgica entre diferentes materiales ha allanado el camino para materiales de contraelectrodos aún más nuevos.
En 2016, Lu et al. mezclaron micropartículas de sulfuro de níquel y cobalto con nanoláminas 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 reducía la resistencia a la transferencia de carga del sistema 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. En la parte superior 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 altamente porosa con una superficie extremadamente alta. El (TiO 2 ) está unido químicamente por un proceso llamado sinterización . El TiO 2 solo absorbe una pequeña fracción de los fotones solares (los del UV). [23] Luego, la placa se sumerge en una mezcla de un colorante fotosensible de rutenio - polipiridilo (también llamado sensibilizadores moleculares [23] ) y un disolvente . Después de remojar la película en la solución de colorante, una fina capa del colorante queda unida covalentemente a la superficie del TiO 2 . El enlace es un éster, un quelante o un enlace puente bidentado.
Luego se hace una placa separada con una capa delgada del electrolito de yoduro esparcida sobre una lámina conductora, típicamente metal platino . Luego se unen las dos placas y se sellan para evitar que el electrolito se escape. La construcción es lo suficientemente simple como para que haya kits disponibles para aficionados para construirlas a mano. [24] Aunque utilizan una serie de materiales "avanzados", son económicos en comparación con el silicio necesario para las celdas normales porque no requieren pasos de fabricación costosos. El TiO 2 , por ejemplo, ya se usa ampliamente como base de pintura.
Uno de los dispositivos DSSC eficientes utiliza un colorante molecular basado en rutenio, por ejemplo, [Ru(4,4'-dicarboxi-2,2'-bipiridina) 2 (NCS) 2 ] (N3), que está unido a un fotoánodo a través de fracciones de carboxilato. El fotoánodo consta de una película de 12 μm de espesor de nanopartículas de TiO 2 transparentes 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 de regreso a 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 recolectado en el electrodo de óxido conductor transparente (TCO) del lado frontal, mientras que el colorante se regenera a través de la reducción por 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 en un DSSC tipo n convencional fotones (luz) 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 las DSSC, los electrodos están compuestos de nanopartículas semiconductoras sinterizadas, principalmente TiO2 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 a 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 celdas a sustratos sólidos robustos y rígidos. Se ha demostrado que hay un aumento en la eficiencia de las 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 una DSSC de tipo n convencional, la luz solar entra en la celda a través del contacto superior transparente SnO 2 :F, incidiendo en el tinte sobre la superficie del TiO 2 . Los fotones que inciden en el tinte con suficiente energía para ser absorbidos crean un estado excitado del tinte, desde el 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 se descompondrá si no se le proporciona otro electrón. El tinte elimina uno del yoduro en el electrolito debajo del TiO 2 , oxidándolo en triyoduro . Esta reacción ocurre bastante rápido en comparación con el tiempo que tarda el electrón inyectado en recombinarse con la molécula de tinte oxidada, lo que evita esta reacción de recombinación que efectivamente provocaría un cortocircuito en la célula solar.
El triyoduro luego recupera su electrón faltante difundiéndose mecánicamente hacia el fondo de la celda, donde el contraelectrodo reintroduce los electrones después de fluir a través del circuito externo.
Para caracterizar las células solares se utilizan varias medidas importantes. La más obvia es la cantidad total de energía eléctrica producida para una cantidad dada de energía solar que incide sobre la célula. Expresada como porcentaje, esto se conoce como eficiencia de conversión solar . La energía eléctrica es el producto de la corriente y el voltaje, por lo que los valores máximos para estas mediciones también son importantes, J sc y V oc respectivamente. Finalmente, para comprender la física subyacente, se utiliza la "eficiencia cuántica" 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 se absorba un fotón, y los tintes son muy eficaces para convertirlos en electrones. La mayoría de las pequeñas pérdidas que existen en las DSSC se deben a pérdidas de conducción en el TiO2 y el electrodo transparente, o pérdidas ópticas en el electrodo frontal. La eficiencia cuántica general para 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 de las DSSC.
En teoría, el voltaje máximo generado por una celda de este tipo es simplemente la diferencia entre el nivel ( cuasi- ) 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 una DSSC iluminada se conecta a un voltímetro en un "circuito abierto", leería aproximadamente 0,7 V. En términos de voltaje, las DSSC ofrecen un V oc ligeramente más alto que el silicio, aproximadamente 0,7 V en comparación con 0,6 V. Esta es una diferencia bastante pequeña, por lo que las diferencias en el mundo real están dominadas por la producción de corriente, J sc .
Aunque el colorante es muy eficiente en la conversión de fotones absorbidos en electrones libres en el TiO 2 , solo los fotones absorbidos por el colorante 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 colorante que se utilizan habitualmente suelen tener una absorción peor en la parte roja del espectro en comparación con el silicio, lo que significa que menos fotones de la luz solar se pueden utilizar para la generación de corriente. Estos factores limitan la corriente generada por una DSSC; a modo de comparación, una célula solar tradicional basada en silicio ofrece unos 35 mA / cm 2 , mientras que las DSSC actuales ofrecen unos 20 mA/cm 2 .
La eficiencia de conversión de potencia máxima general para los DSSC actuales es de aproximadamente el 11 %. [28] [29] El récord actual para prototipos se encuentra en el 15 %. [30] [31]
Las DSSC se degradan cuando se exponen a la luz. En 2014, se identificó que la infiltración de aire de la capa de transporte de huecos Spiro-MeOTAD amorfa, de uso común, era la causa principal de la degradación, en lugar de la oxidación. El daño podría evitarse mediante la adición de una barrera adecuada. [32]
La capa de barrera puede incluir estabilizadores 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]
Las DSSC son actualmente la tecnología solar de tercera generación más eficiente [34] (2005 Basic Research Solar Energy Utilization 16). Otras tecnologías de película delgada suelen tener un rendimiento de entre el 5% y el 13%, y los paneles de silicio comerciales tradicionales de bajo costo funcionan entre el 14% y el 17%. Esto hace que las DSSC sean atractivas como reemplazo de las tecnologías existentes en aplicaciones de "baja densidad", como los colectores solares en azoteas, donde la robustez mecánica y el peso ligero del colector sin vidrio es una ventaja importante. Puede que no sean tan atractivas para implementaciones a gran escala donde las células de mayor eficiencia y mayor costo son más viables, pero incluso pequeños aumentos en la eficiencia de conversión de las DSSC podrían hacerlas adecuadas también para algunas de estas funciones.
Existe otra área en la que las DSSC son particularmente atractivas. El proceso de inyectar un electrón directamente en el TiO2 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 en el silicio podría recombinarse con su propio hueco, emitiendo un fotón (u otra forma de energía) que no da como resultado la generación de corriente. Aunque este caso particular puede no ser común, es bastante fácil que un electrón generado por otro átomo se combine con un hueco dejado en una fotoexcitación anterior.
En comparación, el proceso de inyección utilizado en el DSSC no introduce un agujero en el TiO 2 , solo un electrón extra. Aunque es energéticamente posible que el electrón se recombine de nuevo 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. La recombinación directa del TiO 2 a las especies en el electrolito también es posible aunque, de nuevo, para los 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, las DSSC pueden funcionar bajo cielos nublados y sin luz solar directa, mientras que los diseños tradicionales sufrirían un "corte" en un límite inferior de iluminación, cuando la movilidad de los portadores de carga es baja y la recombinación se convierte en un problema importante. El corte es tan bajo que incluso se están proponiendo para 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 una mayor eficiencia a temperaturas más altas. En cualquier semiconductor, el aumento de temperatura promoverá algunos electrones a la banda de conducción "mecánicamente". La fragilidad de las celdas de silicio tradicionales requiere que se las proteja 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 disminuciones notables en la eficiencia a medida que las celdas se calientan internamente. Las DSSC normalmente se construyen con solo una capa delgada de plástico conductor en la capa frontal, lo que les permite irradiar calor con mucha más facilidad y, por lo tanto, operar a temperaturas internas más bajas.
La principal desventaja del diseño DSSC es el uso de electrolito líquido, que presenta problemas de estabilidad de 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 se necesitan rutenio (tinte), platino (catalizador) y vidrio o plástico conductor (contacto) costosos para producir un DSSC. Un tercer inconveniente importante es que la solución de electrolito contiene compuestos orgánicos volátiles (o COV) , disolventes que deben sellarse cuidadosamente ya que son peligrosos para la salud humana y el medio ambiente. Esto, junto con el hecho de que los disolventes permean los plásticos, ha impedido la aplicación en exteriores a gran escala y la integración en estructuras flexibles. [37]
La sustitución del electrolito líquido por uno sólido ha sido un importante campo de investigación en curso. Los experimentos recientes con sales fundidas solidificadas han demostrado ser prometedores, pero actualmente sufren una mayor degradación durante el funcionamiento continuo y no son flexibles. [38]
Las células solares sensibilizadas con colorante funcionan como un fotoánodo (n-DSC), donde la fotocorriente resulta de la inyección de electrones por el colorante sensibilizado. Los fotocátodos (p-DSC) funcionan en un modo inverso en comparación con el n-DSC convencional, donde la excitación del colorante es seguida por una rápida transferencia de electrones desde un semiconductor de tipo p al colorante (inyección de huecos sensibilizados con colorante, en lugar de inyección de electrones). Estos p-DSC y n-DSC se pueden combinar para construir células solares en tándem (pn-DSC) y la eficiencia teórica de los DSC en tándem es mucho mayor que la de los DSC de unión simple.
Una celda tándem estándar consta de una n-DSC y una p-DSC en una configuración sándwich simple con una capa de electrolito intermedia. La n-DSC y la p-DSC están conectadas 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 fotocorrientes es muy importante para la construcción de pn-DSC en tándem de alta eficiencia. Sin embargo, a diferencia de las n-DSC, la rápida recombinación de carga después de la inyección de huecos sensibilizados con colorante generalmente resultó en bajas fotocorrientes en p-DSC y, por lo tanto, obstaculizó la eficiencia del dispositivo en general.
Los investigadores han descubierto que el uso de colorantes 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 huecos sensibilizados con colorante. Los investigadores construyeron un dispositivo DSC en tándem con NiO en el lado p-DSC y TiO2 en el lado n-DSC. La coincidencia de fotocorriente se logró mediante el ajuste de los espesores de película de NiO y TiO2 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 %, 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 mejora espectacular en el rendimiento en p-DSC puede eventualmente conducir a dispositivos en tándem con una eficiencia mucho mayor 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 logrado para los fotocátodos sensibilizados con colorante. Al utilizar materiales transportadores de electrones como PCBM, [40] TiO2 [41] [ 42] y ZnO [43] en lugar del electrolito líquido de par redox convencional, los investigadores han logrado fabricar p-DSC de estado sólido (p-ssDSC), con el objetivo de obtener células solares sensibilizadas con colorante 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 (circa 1995) eran sensibles sólo en el extremo de alta frecuencia del espectro solar, en el UV y el azul. Se introdujeron rápidamente versiones más nuevas (circa 1999) que tenían una respuesta de frecuencia mucho más amplia, en particular la "triscarboxi-rutenio terpiridina" [Ru(4,4',4"-(COOH) 3 -terpy)(NCS) 3 ], que es eficiente hasta el rango de baja frecuencia de la luz roja e IR . La amplia respuesta espectral da como resultado que el colorante tenga un color marrón oscuro-negro, y se lo conoce simplemente como "colorante negro". [45] Los colorantes tienen una excelente posibilidad de convertir un fotón en un electrón, originalmente alrededor del 80% pero mejorando a una conversión casi perfecta en colorantes más recientes, la eficiencia general es de alrededor del 90%, y el 10% "perdido" se explica en gran medida por 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 la eficiencia ( vida útil ). El sistema de "tinte negro" se sometió a 50 millones de ciclos, el equivalente a diez años de exposición al sol en Suiza. No se observó ninguna disminución perceptible del rendimiento. Sin embargo, el tinte está sujeto a descomponerse en situaciones de alta luz. Durante la última década se ha llevado a cabo un amplio programa de investigación para abordar estas preocupaciones. Los tintes más nuevos incluyeron tetrocianoborato de 1-etil-3-metilimidazolio [EMIB(CN) 4 ], que es extremadamente estable a la luz y la temperatura, cobre-diselenio [Cu(In,GA)Se 2 ], que ofrece mayores eficiencias de conversión, y otros con diferentes propiedades especiales.
Las DSSC todavía se encuentran en el comienzo de su ciclo de desarrollo. Es posible lograr mejoras en la eficiencia y recientemente se han iniciado estudios más amplios al respecto. Entre ellos se 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 a la temperatura y el cambio del dopaje del TiO 2 para que coincida mejor con el electrolito que se está utilizando.
Un grupo de investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) ha logrado aumentar la termoestabilidad de la DSC utilizando un sensibilizador de rutenio anfifílico junto con un electrolito de gel de estado cuasi sólido. La estabilidad del dispositivo es similar a la de una célula solar convencional basada en silicio inorgánico. La célula se mantuvo caliente 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 ácido 4,4′-dicarboxílico-2,2′-bipiridina y dnbpy es 4,4′-dinonil-2,2′-bipiridina) para aumentar la tolerancia del colorante al agua en los electrolitos. Además, el grupo también preparó un electrolito en gel de estado cuasi-sólido con un electrolito líquido basado en 3-metoxipropionitrilo (MPN) que se solidificó mediante un polímero de flúor fotoquímicamente estable, fluoruro de polivinilideno -co- hexafluoropropileno (PVDF-HFP).
El uso del colorante anfifílico Z-907 junto con el electrolito de gel de polímero en DSC logró una eficiencia de conversión de energía del 6,1%. Más importante aún, el dispositivo fue estable bajo estrés térmico y exposición a la 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 una prueba acelerada en un simulador solar durante 1000 h de exposición a la luz a 55 °C (100 mW cm −2 ), la eficiencia había disminuido menos del 5% para las celdas cubiertas con una película de polímero que absorbe la luz ultravioleta. Estos resultados están dentro del límite de las celdas solares de silicio inorgánico tradicionales.
El rendimiento mejorado puede deberse a una disminución de la permeabilidad del disolvente a través del sellador debido a la aplicación del electrolito de gel de polímero. El electrolito de gel de polímero 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 inmersión en 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 la aplicación práctica. [46] [47]
Se informó sobre las primeras células solares híbridas sólidas sensibilizadas con colorante que tuvieron éxito. [38]
Para mejorar el transporte de electrones en estas células solares, manteniendo al mismo tiempo la gran superficie necesaria para la adsorción del colorante, dos investigadores han diseñado morfologías de semiconductores alternativas, como conjuntos de nanocables y una combinación de nanocables y nanopartículas , para proporcionar una ruta directa al electrodo a través de la banda de conducción del semiconductor. 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 1000 horas, seguido de una exposición a la luz a 60 °C durante 1000 horas. Después del calentamiento en la oscuridad y la exposición a la luz, se mantuvo el 90% de la eficiencia fotovoltaica inicial: es la primera vez que se ha observado una estabilidad térmica tan excelente para un electrolito líquido que muestra 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 colorante solo se vieron afectados de manera insignificante al aumentar la temperatura de funcionamiento de la temperatura ambiente a 60 °C.
Wayne Campbell, de la Universidad Massey de Nueva Zelanda, ha experimentado con una amplia variedad de colorantes orgánicos basados en 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 de una eficiencia del orden del 5,6 % utilizando estos colorantes de bajo coste. [50]
Un artículo publicado en Nature Materials demostró eficiencias de celdas del 8,2 % utilizando un nuevo electrolito redox líquido sin solventes que consiste en una fusión de tres sales, como una alternativa al uso de solventes orgánicos como solución electrolítica. Aunque la eficiencia con este electrolito es menor que el 11 % que se logra utilizando las soluciones existentes basadas en yodo, el equipo confía en que la eficiencia se puede mejorar. [51]
Un grupo de investigadores de Georgia Tech fabricó células solares sensibilizadas con colorante 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 colorante, rodearon las fibras con un electrolito y una película de metal que transporta electrones fuera de la fibra. Las células son seis veces más eficientes que una célula 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 las futuras células de fibra podrían fabricarse para absorber la luz a lo largo de toda la longitud de la fibra, lo que requeriría un revestimiento 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 con colorante más grande del mundo, impreso sobre acero en una línea continua. [56]
Dyesol y CSIRO anunciaron en octubre la finalización con éxito del segundo hito del proyecto conjunto Dyesol/CSIRO. El director de Dyesol, Gordon Thompson, afirmó: "Los materiales desarrollados durante esta colaboración conjunta tienen el potencial de hacer avanzar significativamente la comercialización de la DSC en una gama de aplicaciones en las que el rendimiento y la estabilidad son requisitos esenciales. Dyesol se siente 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]
En noviembre, Dyesol y Tata Steel Europe anunciaron el desarrollo de acero solar BIPV competitivo en paridad de red que no requiere tarifas de alimentación subsidiadas por el gobierno. El techado de "acero solar" de TATA-Dyesol se está instalando actualmente en el Centro de envolventes de edificios sostenibles (SBEC) en Shotton, Gales. [58] [59]
Los investigadores de la Universidad Northwestern anunciaron [60] una solución a un problema primario de las 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 de la de las celdas de silicio, pero las celdas son livianas y potencialmente de un costo mucho menor para producir.
Durante los últimos 5 a 10 años, se ha desarrollado un nuevo tipo de DSSC: la célula solar sensibilizada por colorante de estado sólido. En este caso, el electrolito líquido se reemplaza por uno de varios materiales sólidos conductores de huecos. De 2009 a 2013, la eficiencia de las DSSC de estado sólido ha aumentado drásticamente del 4% al 15%. Michael Grätzel anunció la fabricación de DSSC de estado sólido con una eficiencia del 15,0%, alcanzada por medio de un colorante híbrido de perovskita CH 3 NH 3 PbI 3 , posteriormente depositado a partir de las soluciones separadas de CH 3 NH 3 I y PbI 2 . [31]
La primera integración arquitectónica se demostró en el SwissTech Convention Center de EPFL en colaboración con Romande Energie. La superficie total es de 300 m2 , en 1400 módulos de 50 cm x 35 cm. Diseñado por los artistas Daniel Schlaepfer y Catherine Bolle. [61]
Los investigadores han estudiado el papel de las resonancias de plasmones superficiales presentes en las nanobarras de oro en el rendimiento de las células solares sensibilizadas con colorante. Descubrieron que, con un aumento de la concentración de nanobarras, la absorción de luz crecía de forma lineal; 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]
Se demostró con éxito la síntesis de nanoestructuras de TiO 2 unidimensionales directamente sobre sustratos de vidrio de óxido de estaño dopado con flúor mediante una reacción solvotérmica de dos etapas . [63] Además, a través de un tratamiento con sol de TiO 2 , se mejoró el rendimiento de las celdas de nanocables de TiO 2 duales , alcanzando una eficiencia de conversión de energía del 7,65 %. [64]
Se han informado contraelectrodos a base de acero inoxidable para DSSC que reducen aún más el costo en comparación con los contraelectrodos convencionales a base de platino y son adecuados para aplicaciones al aire libre. [65] [66]
Los investigadores de la EPFL han desarrollado DSSC basados en electrolitos redox de complejos de cobre , que han logrado una eficiencia del 13,1 % en condiciones estándar AM1.5G, 100 mW/cm 2 y una eficiencia récord del 32 % bajo 1000 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 de estado sólido sensibilizadas con colorante de tipo p. [43] [42]
El campo de la energía fotovoltaica integrada en edificios (BIPV) ha ganado 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 silicio dominantes en el mercado tienen una presencia limitada en este campo debido a sus métodos de fabricación de alto consumo energético, baja eficiencia de conversión con bajas intensidades de luz 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 contraelectrodo de vidrio clásico 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 resultado en las eficiencias más altas registradas para DSSC, para aplicaciones BIPV como tejas o fachadas de edificios, son esenciales materiales más livianos y flexibles. Esto incluye películas de plástico, metales, acero o papel, que también pueden reducir los costos de fabricación. El equipo descubrió que la celda tenía una eficiencia del 4% (cercana a la de una celda solar con un contraelectrodo de vidrio), lo que demostró el potencial para crear DSSC integrados 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 los fotosensibilizadores han dado como resultado una mejora sustancial en el rendimiento de las 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 de luz. [72] La cosensibilización es un método de fabricación química que produce electrodos DSSC que contienen dos o más colorantes diferentes con capacidades de absorción óptica complementarias , lo que permite el uso de toda la luz solar disponible. [73]
Los investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) de Suiza descubrieron que la eficiencia de las células solares cosensibilizadas se puede aumentar mediante la preadsorción de una monocapa de derivado de ácido hidroxámico sobre una superficie de dióxido de titanio mesoporoso nanocristalino, que funciona como mecanismo de transporte de electrones del electrodo. Las dos moléculas fotosensibilizadoras utilizadas en el estudio fueron el colorante orgánico SL9, que sirvió como recolector principal de luz de longitud de onda larga, y el colorante SL10, que proporcionó un pico de absorción adicional que compensa la ineficiente recolección de luz azul del SL9. Se descubrió que agregar esta capa de ácido hidroxámico mejoró el empaquetamiento y ordenamiento molecular de la capa de colorante. 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 exhibieron eficiencias de alrededor del 30 % manteniendo una alta estabilidad, lo que ofrece nuevas posibilidades para el campo de DSSC. [74]
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