Celdas solares sensibilizadas con tintes, una oportunidad científica

El desarrollo de tecnologías y la implementación de nuevos materiales para crear celdas solares con mayor eficiencia y capacidad de absorción de luz es parte del quehacer científico que se realiza en el laboratorio del doctor Julio Villanueva Cab, profesor investigador del Instituto de Física «Luis Rivera Terrazas» de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP).

Su trabajo consiste en incorporar materiales plasmónicos para dar mejores propiedades de absorción de luz y la caracterización estructural con técnicas especiales, así como hacer estudios sobre estabilidad y humedad en las celdas solares sensibilizadas por tintes.

Las celdas solares sensibilizadas por tinte se colocan como una alternativa a las celdas de silicio, y su mecanismo se concentra en simular el proceso de fotosíntesis de las plantas. Por ejemplo, en el caso de la clorofila, esta absorbe luz y libera energía y así alimenta a la planta; en el caso de las celdas solares, el tinte absorbe luz visible del espectro solar que posteriormente es inyectado y transportado en un material semiconductor para producir energía.

En entrevista para la Agencia Informativa Conacyt, el doctor Villanueva Cab, quien trabaja en coordinación con los doctores Umapada Pal y Paul Olalde Velasco, explicó que existen tres generaciones de celdas solares, y en los últimos años la celda solar sensibilizada por tinte (DSSC, por sus siglas en inglés) que utiliza como material semiconductor una película nanoestructurada de óxido de titanio (TiO₂) ha inspirado nuevos desarrollos tecnológicos en el área con la incorporación de otros materiales como la perovskita.

La perovskita es un material compuesto con una parte orgánica y un centro inorgánico que normalmente es plomo. Una de sus características es que tiene excelentes propiedades para absorber la luz, de ahí la idea de utilizarlo para celdas solares.

El doctor Villanueva refiere que en 2011 este material híbrido usado como absorbente de luz dio una eficiencia de 6.5 por ciento, pero con el tiempo estos trabajos de investigación dieron origen a las nuevas celdas solares denominadas celdas solares de perovskita, cuya eficiencia máxima alcanzada a la fecha es de 22.7 por ciento. Sin embargo, su principal problema es la estabilidad debido a la presencia de agua o humedad del ambiente, lo interesante es que todos los métodos de caracterización y modelado para estudiar estas celdas de perovskita son similares a los utilizados para las celdas DSSC.

Tintes contra silicio

La celda solar sensibilizada por tinte tiene como ventaja que su producción es más económica que las celdas de silicio, además de que tiene mejor eficiencia en ambientes cerrados o interiores, ya que puede generar energía a partir de la luz que exista en una habitación, ya sea natural o artificial, contrario a las celdas de silicio que tienen que estar expuestas directamente a la luz solar para poder generar energía, explicó el doctor Villanueva.

“Adicionalmente son celdas que se pueden fabricar con diseños de material transparente o de colores y eso le da una utilidad arquitectónica porque se pueden emplear para puertas que no necesariamente sean transparentes, pero sí translúcidas”.

El investigador destacó además que las celdas solares de silicio, por sus cualidades intrínsecas, tienen un límite de absorción de luz, a diferencia de las celdas sensibilizadas por tintes que pueden mejorar en eficiencia a través de la modificación química e incrementar su rango de absorción solar, o bien recurrir a la coadsorción, que consiste en tomar diferentes tintes y mezclarlos para captar más luz en el rango visible del espectro solar.

En cuanto a las desventajas, Villanueva Cab comentó que el nivel de eficiencia de las celdas sensibilizadas con tinte es de aproximadamente 12 por ciento a nivel laboratorio y aproximadamente siete por ciento a nivel comercial.

Otro parámetro a tomar en cuenta es el tiempo de vida, en el caso de las celdas de silicio es de casi 20 años, mientras que las celdas sensibilizadas por tinte duran alrededor de 10 años; no obstante, esta desventaja se suple con los bajos costos de fabricación, indicó el investigador.

“Si te dan una celda que tenga un tiempo de vida de 10 años, contra una que dura 20 años, pero que es diez veces más cara que la primera, te vas por la de menor costo y cuando pasen esos 10 años se compra otra igual y aun así no invertiste lo mismo que si hubieras adquirido la segunda, ese el juego para que sean comerciables”.

Los retos

Además de buscar la fabricación de celdas solares con perovskita, el doctor Villanueva Cab mencionó la experimentación con otros materiales dentro del óxido de titanio, como nanopartículas de oro, plata y otros materiales que incrementan la capacidad de absorción de luz.

“Lo que queremos hacer es dar una descripción cuantitativa de las contribuciones en cuanto a absorción y recombinación, debido a la incorporación de nanopartículas metálicas en las celdas solares sensibilizadas por tintes y de perovskita, ya que hasta el momento hay poca literatura al respecto”.

Otro aspecto en que trabaja este grupo de investigación es la estabilidad de las celdas solares (DSSC y de perovskita) debido a la presencia de agua en el ambiente, donde serán expuestas en condiciones reales de trabajo.

“Para el caso de las celdas DSSC, el principal freno para su comercialización es debido a la fuga de la solución electrolítica y la penetración de agua proveniente del medio ambiente, por eso trabajamos en la fabricación de celdas con soluciones electrolíticas basadas en agua, además de métodos de sellado más sofisticados”.

Villanueva Cab aseguró que sus investigaciones, las cuales cuentan con apoyo del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) a través del programa Ciencia Básica, se concentran en el estudio de las propiedades principales que afectan estos sistemas de celdas solares: inyección, transporte y recombinación.

Fuente: CONACYT.