Artículo: | Revisión de Energía renovable y sostenible | Revisíon sobre el desarrollo de fotosensibilizadores de colorantes naturales para celdas solares sensibilizadas por colorantes | Módulos de celdas solares sensibilizadas por colorante | Avances recientes en materia de sensibilizadores orgánicos para celdas solares sensibilizadas por colorantes | Mejora de la producción de energía mediante la aplicación de la nanotecnología |
Puntos por destacar: | - La celda solar sensibilizada por colorantes convierte la luz visible en electricidad mediante la sensibilización.
- Dependiendo del colorante aplicado como sensibilizador, se podrá conocer el rendimiento de las celdas solares.
- Una celda fotovoltaica convierte radiaciones solares en energía eléctrica
- Las celdas de 1era generación son de silicio monocristalino, normalmente se utiliza el método Czochralski; presentan alto costo y se ven muy afectadas por la temperatura
- Las celdas de 2da generación presentan una película fina de silicio amorfo, aplicado de manera en polvo haciéndola más flexible y ligera; pueden presentar menor eficiencia y de materiales como CdTe, Seleniuro de Cu y Ga, etc.
- Las celdas solares de 3era generación sensibilizadas con colorantes (o dye sensitized sola cells “DSSC”) son las más eficientes que las de 2da generación, pero menos que las de la 1era; su estructura consiste en una capa de dióxido de titanio (un semiconductor) recubriendo a un fotoelectrodo de ánodo, un contraelectrodo utilizado como cátodo, un sensibilizador (el colorante) y un electrólito.
- El desempeño de cada celda solar se calcula dependiendo de los parámetros de la celda, ya sea la tensión del circuito abierto, el cortocircuito, el factor de llenado, la tensión máx y corriente de una celda.
- Los sensibilizadores pueden ser sintéticos o naturales, estos varían dependiendo diversos parámetros, tales como el costo de las celdas, su disposición respecto al medioambiente, su estabilidad, su máxima absorbancia y eficiencia de la DSSC. La mayoría de las veces los sensibilizadores naturales son más económicos que los sintéticos por su proceso de tratamiento.
- Los parámetros constructivos que perturban el rendimiento de la celda solar son el sustrato, el semiconductor, el sensibilizador o colorante, el electrolito y el contra cátodo.
- Varios colorantes naturales combinados (cocktail dye sensitizer) en proporciones adecuadas pueden ser utilizados para incrementar la eficiencia de absorción de la DSSC.
| - En la DSSC la separación de la carga por competencia cinética es similar a la fotosíntesis natural, mientras que la separación de la carga de las celdas solares tiene lugar por el movimiento de los portadores de dicha carga o de la corriente que deriva en la unión p – n.
- El colorante de una DSSC puede sustituir a las clorofilas, la capa semiconductora sustituye al nicotinamida adenina dinucleótido fosfato y el dióxido de carbono actúa como aceptor de electrones.
- El electrolito sustituye al agua, mientras que el oxígeno actúa como donante de electrones y producto de la oxidación.
- Eficiencia de conversión de las DSSC con el colorante recubierto en películas porosas de TiO2 que es un semiconductor.
- Los dispositivos basados en materiales nanocristalinos y películas finas conductoras pueden sustituir a los dispositivos de estado sólido convencionales.
- La absorción del fotón de luz en la DSSC se produce en la capa de la molécula del colorante.
- El TiO2 nanocristalino proporciona la mayor superficie para la absorción de la molécula del colorante.
- El sensibilizador inyecta un electrón excitado en la banda de conducción de la película porosa hacia el electrodo conductor (ánodo) y se extrae al mismo tiempo con una carga formando la energía eléctrica.
- Los complejos de coordinación de transición como por ejemplo de polipiridilo de Ru se emplean como sensibilizadores de transferencia de carga; son de los más eficaces debido a su alta estabilidad química, propiedades fotoelectroquímicas y su alta absorción de transferencia de carga en amplio rango visible. Además, tienden a degradarse en el agua.
- Los requisitos para un fotosensibilizador eficaz son: partpiculas fuertes de adosroción del colorante en la superficie del semiconductor, alta capacidad de visibilidad de observación de luz visible, capacidad de inyectar el electrón en la banda de conducción de los semiconductores.
- Los sensibilizadores naturales pueden ser extraídos y tratados con etanol por ejemplo desde flores, hojas y frutos, estos han sido considerados prometedores por su bajo costo, completa biodegradación, fácil disponibilidad, su grado de pureza y su elevada reducción de metales nobles y su coste síntesis química.
| - Las celdas principales usadas son con dispositivos de unión de estado sólido p-n, usualmente hechos de silicio cristalino o amorfo.
- Una de las ventajas de la DSSC es el rango de temperatura ya que su eficiencia podría ser independiente de esta.
- Los materiales para la DSSC son biocompatibnles y están ampliamente disponibles.
- La fotoexcitación del colorante resulta en la inyección de electrones en la banda de conducción del semiconductor, por lo que el voltaje bajo iluminación corresponde a la diferencia entre el casi nivel de fermi de los electrones en el semiconductor y potencial redox del electrolito.
- Las DSSC son un dispositivo fotovoltaico que utiliza medios separadores para la absorción de luz, la generación de portadores (colorante o sensibilizadores) y el transporte de portadores.
- Debido a que los módulos pueden proveer gran cantidad de poder cuando celdas simples son conectadas en serie y en paralelo, esta es utilizada así para incrementar la corriente mientras que una conexión en serie es usada para aumentar el voltaje.
- El voltaje en circuito abierto es Voc,La foto corriente en corto circuito es Isc. El factor de forma es FF. La eficiencia de conversión se representa como η .
- En la eficiencia de conversión es importante para la caracterización de una celda solar, es el porcentaje de potencia convertida (de luz absorbida en energía eléctrica); la eficacia máxima es obtenida cuando el producto de los tres parámetros en el numerador es máximo.
- Para ser un sustrato de una DSSC se debe tener una baja resistencia de hoja, con un valor de entre 5-15 ohm/cuadro y una baja transparencia a la radiación solar en la región visible – IR.
- El sustrato afecta al rendimiento de la celda de formas en que la resistencia de hoja influye en la resistencia de la celda y la transmitancia controla la absorción de la luz.
- Para la caracterización de las muestras se pueden utilizar equipos como espectrofotómetros para estudiar la absorbancia de las películas y de los colorantes, se realiza cromatografía en capa fina para determinar distintos componentes de los colorantes, así mismo, separación en columna para por componentes por separado y simuladores solares en un sistema de test de corriente-voltaje para las curvas de corriente vs voltaje y su eficacia y FF.
| - El sensibilizador orgánico suee estar formado por un donador de electrones y un aceptor de electrones unidos covalentemente a través de una espaciador π-conjugado.
- Ligando ácidos son usados tanto como electrones aceptores y como grupo de detención para la carga en la superficie del óxido de titanio.
- El espaciador π-conjugado sirve como puente para la transferencia de electrones entre los grupos donadores-aceptores.
- La expansión de la estructura del espaciador π-conjugado es la parte importante incorporada en el donante y aceptor de e’s ya que puede provocar desplazamientos de los niveles del orbital molecular más ocupado (HOMO) y del orbital más desocupado (LUMO) lo que da lugar a propiedades foto físicas sintonizables.
- La trasnferencia de carga ocurre desde la fracción donante a la recepotra a través del espaciador π-conjugado, lo cual favorece la inyección de electrones cuando la molécula de colorante se adsorbe en la superficie del dióxido de titanio.
- Debido a la alta sintonización estructural, los colorantes libres de metales basados en el donante -π- aceptor se consideran uno de los sensibilizadores más prometedores para las DSSC.
- Se desarrolló un nuevo sensibilizador orgánico que contiene benzotidiazol (BzTCA), su propiedad foto física indica que su absorbción exhibe una amplia cobertura de la región visible; presenta absorción que comienza a 800 nm en la película de dióxido de titanio y posee absorción máxima de 587 nm.
- La DSSC con BzTCA alcanza una eficiencia de conversión de 6,04%..
- Los sensibilizadores orgánicos del infrarrojo cercano (NIR) para las DSSC ofrecen mejores absorciones. El desarrollo de moléculas orgánicas que permitan una conversión eficiente de la luz en la región roja/NIR es amplio campo de investigación continúa, en específico sensibilizadordes de escarilo, cianina, perileno, porfirina y ftalocianina.
- La síntesis de sensibilizadores que tengan tanto un amplio espectro de absorción como niveles de energía coincidentes para DSSC puede ser difícil, por lo que se ha desarrollado el método de co-sensibilización utilizando múltiples colorantes con espectros de absorción compensatorios.
- Se proponen dos configuraciones posibles cuando se depositan varios sensibilizadores sobre una película semiconductora. En la primera configuración, los sensibilizadores se depositan de forma homogénea sobre la película semiconductora a partir de una solución “cóctel”; en esta configuración, varios sensibilizadores están en estrecho contacto.
| - Las DSSC son consideradas una de las alternativas más prometedoras para la tecnología de celdas solares debido a su bajo costo y proceso de fabricación más sencillo.
- Entre las principales ventajas, pueden destacar algunas como: alta eficiencia incluso con luz difusa, no necesitan materiales monocristalinos, pueden utilizarse sustratos flexibles, normalmente se componen de materiales no tóxicos y pueden ser transparentes o multicolores.
- Una vez que la luz incide en la DSSC, las moléculas de colorantes quimisorbidas en las nanopartículas semiconductoras sustraen fotones, así este colorante se excita y libera un electrón de su orbital molecular más ocupado (HUMO) a su orbital molecular más desocupado (LUMO) convirtiéndose así en una especie oxidada.
- La diferencia entre el nivel de energía del colorante y del semiconductor, y sus características químicas del primero, afectarán a los electrones inyectados.
- Los sutratos están compuesto por un vidrio con una capa fina del óxido conductor y deben de cumplir con las funciones de: servir de estructura física en la cual se adhiere el recubrimiento de semiconductor, dan contacto eléctrico con el semiconductor, almacenan los electrones generados y permiten la penetración de la luz solar; deben ser transparentes en la región espectral de la luz visible y tener una baja resistividad eléctrica.
- El óxido conductor transparente (TCO) más utilizado en las DSSC es el óxido de estaño dopado con flúor (FTO) pero también pueden utilizarse el óxido de estaño dopado con indio o antimonio (ITO, ATO) y óxido de zinc dopado con indio (IZO).
- El FTO presenta ventajas como baja resistividad eléctrica en tratamientos térmicos, aunque también puede presentar algunas desventajas como sensibilidad al pH en medio ambiente, transparencia limitada en la región IR y alto costo.
- Diversas morfologías de nanopartículas semiconductoras como foto ánodo en las DSSC han sido estudiadas, entre ellas destacan las nanofibras, nanohilos, nanotubos, esferas huecas y nanoflujos.
- Las nanofibras (NFs) han mostrado buen desempeño en celdas debido a la absorción en luz visible.
- Los nanohilos (NWs) pueden reducir los centros de recombinación al disminuir las trampas superficiales que al mismo tiempo promueven una barrera de energía entre el electrolito y el semiconductor.
- Las esferas huecas proporcionan alta capacidad de regeneración de carga, así como una alta capacidad de dispersión de la luz.
- Los nanotubos (NTs) dan menos defectos superficiales y aceleran el transporte de electrones y mejoran conductividad eléctrica.
- Los nanoflujos (NFs) aportan elevada área superficial, promueve transporte de electrones por mayor contacto por morfología ramificada.
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