Las células solares sensibilizadas por colorante, o DSSC, son una tecnología de tercera generación [1] en el área de la energía fotovoltaica . Se clasifican como un tipo de célula solar de película delgada, [2] lo que significa que requieren sólo una pequeña cantidad de material por célula en comparación con las células solares de primera generación, lo que hace que las DSSC sean más ligeras y físicamente más resistentes que sus homólogas de primera generación. Utilizan un proceso similar a la fotosíntesis para producir energía eléctrica, lo que los convierte en un ejemplo de biomímesis .
Las células solares sensibilizadas por tinte son una tecnología prometedora porque son económicas y resistentes, lo que las hace ideales para aplicaciones a pequeña y gran escala. [3] Sin embargo, tienen eficiencias más bajas que la mayoría de los otros tipos de células solares, por lo que requieren más espacio que otros tipos de células solares para producir la misma cantidad de energía eléctrica. Esta desventaja se compensa con su bajo costo y mayor resiliencia y flexibilidad. [4]
Contenido
Fondo
Desde principios del siglo XX, los tipos de células solares más comúnmente investigados fueron las células solares de silicio cristalino , que eran generalmente muy eficientes pero costosas y difíciles de producir. Debido a los problemas de alto costo y dificultad en la producción con células de silicio cristalino, los investigadores desarrollaron células de película delgada más baratas pero menos eficientes. Las células solares sensibilizadas por colorante son uno de los tipos más prometedores de células solares de película delgada. [5]
Las células solares sensibilizadas por colorante fueron inventadas por Michael Grätzel en 1991, [6] quien ganó el Premio de Tecnología del Milenio en 2010 por su trabajo en el área de las DSSC. [7] Desde su invención, se ha trabajado mucho para optimizar el rendimiento de las DSSC, como encontrar sus parámetros óptimos, [8] encontrar los tintes más rentables, [9] dopar con varios elementos para mejorar el funcionamiento del tinte. , [10] [11] y ejecutar células en conjunto para mejorar la eficiencia. [12] La investigación realizada sobre las DSSC probablemente aumentará su eficacia y al mismo tiempo reducirá su costo, lo que las convertirá en un fuerte competidor de las células de silicio cristalino tradicionales en un futuro próximo. [4]
Estado actual
Las células solares sensibilizadas por colorantes se han ido utilizando gradualmente desde su invención. Los DSSC son bastante flexibles, por lo que se pueden utilizar para una amplia variedad de aplicaciones, diversas aplicaciones que van desde grandes plantas de energía cubiertas con DSSC orgánicos (para ver imágenes y más información, consulte este artículo) [13] hasta DSSC que llevan los soldados para alimentar su equipo. en el campo. [4] Los DSSC también se pueden usar en hogares de manera muy fácil y sutil, apareciendo como elementos individuales en el techo o en las ventanas y paredes laterales de la casa. [14] [4] Debido a que los DSSC se basan en un tinte coloreado, pueden modificarse para mezclarse con su entorno, urbano o rural, para evitar convertirse en una monstruosidad. Además, las DSSC no pierden eficacia a altas temperaturas como lo hacen las células de silicio cristalino tradicionales, lo que las hace ideales para entornos más cálidos. [15]
El único problema técnico importante que afecta actualmente a las DSSC es su falta de estabilidad química a lo largo del tiempo, lo que ha ralentizado su crecimiento comercial y su aplicación. [16] Se está trabajando mucho en relación con este tema y es probable que se convierta en un problema menor en un futuro próximo. [17] [18]
Química
Una célula solar sensibilizada con colorante es similar a todas las demás formas de células solares en su funcionamiento general, ya que absorbe la luz solar para liberar electrones que proporcionan energía eléctrica. Para obtener más información sobre los principios básicos de las células solares, consulte Fotovoltaica . Lo que hace que las células solares sensibilizadas con colorante sean únicas de otros tipos de células fotovoltaicas es el uso de una red de nanopartículas porosas de dióxido de titanio cubiertas con un tinte fotosensible, generalmente tinte de rutenio-polipiridina [19] o algún tipo de tinte orgánico. [20] El dióxido de titanio actúa como ánodo y se separa de un cátodo de platino mediante una solución electrolítica, típicamente yoduro. Cuando la luz incide sobre el tinte, los electrones son liberados y transportados por la banda de conducción del dióxido de titanio, creando una diferencia de voltaje entre los dos lados, similar a una batería . Cuando el ánodo y el cátodo están conectados, se genera una corriente eléctrica entre el cátodo y el ánodo debido a la diferencia de voltaje entre los dos. Mientras el ánodo y el cátodo estén conectados y la celda esté activa, la diferencia de voltaje y la corriente generan energía eléctrica, que puede usarse o inyectarse a la red existente. Después de llegar al lado del cátodo de la celda, los electrones pasan a través de la solución electrolítica hasta el ánodo para reponer el tinte y prepararlo para absorber más luz solar. [21]
La eficiencia de conversión general de las DSSC suele rondar el 5-11%, [22] , que es inferior a la de la mayoría de las otras tecnologías solares debido a la peor absorción de luz por parte de los tintes más comunes en comparación con el silicio cristalino. Sin embargo, las DSSC son bastante eficientes a nivel cuántico, ya que los electrones liberados por el tinte suelen ser absorbidos por el dióxido de titanio y convertidos en energía útil. En aplicaciones prácticas, este hecho significa que generalmente, cuando el tinte emite un electrón, éste será utilizable como energía, en lugar de desperdiciarse recombinándose con el tinte. La mayoría de las otras tecnologías solares tienen eficiencias cuánticas más bajas, por lo que es más probable que se desperdicien sus electrones energéticos que los DSSC. [23]
El proceso utilizado por las células solares sensibilizadas con colorantes es muy similar al utilizado por las plantas en la fotosíntesis. Ambos procesos utilizan un tinte molecular fotosensible (clorofila a y b para las plantas) para absorber la energía luminosa y liberar un electrón que será transportado y utilizado para la generación o almacenamiento de energía. Debido a que los procesos son similares, las células solares sensibilizadas con colorantes se consideran una forma de biomímesis .
Próximos pasos
Aún queda mucho trabajo por hacer antes de que las células solares sensibilizadas con colorantes se produzcan y vendan ampliamente. Algunos de los problemas con los DSSC se enumeran a continuación.
Degradación del tinte
Los tintes de las DSSC tienden a degradarse con el tiempo, lo que provoca una menor eficiencia y una vida útil limitada. Se están realizando investigaciones para ampliar la vida útil de los tintes en las DSSC por diversos medios, [17] [24] y es probable que los problemas de estabilidad finalmente se superen en un futuro próximo.
Rareza de los materiales colorantes
Aunque la mayoría de los componentes de las células solares sensibilizadas con tintes son comunes o económicos, muchas DSSC utilizan complejos del metal relativamente raro rutenio como tinte, lo que no es práctico para aplicaciones a gran escala. Se están realizando muchas investigaciones sobre tintes alternativos, incluidos tintes orgánicos y naturales sin metales. [18] Desafortunadamente, los tintes naturales y sin metales generalmente tienen eficiencias más bajas que los tintes que incorporan metales en su tinte. [20]
Baja eficiencia
Las células solares sensibilizadas con tintes tienen eficiencias de alrededor del 5-11%, que es significativamente menor que la mayoría de las otras tecnologías de células solares. Se considera que un tinte orgánico sin metales tiene una alta eficiencia general del 5,1%. [20] La falta de eficiencia significa que un conjunto DSSC debe ser significativamente más grande que otros conjuntos fotovoltaicos para producir la misma cantidad de energía. Esta desventaja se compensa con el menor coste y la mayor flexibilidad de las DSSC, pero si su eficiencia pudiera aumentar aunque sea ligeramente, serían aún más competitivas con otros tipos de energía renovable.
Congelación del electrolito
Debido a que la mayoría de las células solares sensibilizadas con colorantes utilizan un electrolito líquido, las células pueden dañarse si se congelan a bajas temperaturas. [25] Esta debilidad hace que los DSSC sean ineficientes en áreas que comúnmente experimentan temperaturas muy bajas. Se están trabajando en alternativas que evitarían el problema de la congelación, pero los DSSC probablemente no serán buenos en climas fríos en un futuro próximo. [26]
Otras lecturas
Una mirada más avanzada a la física de la inyección de electrones en DSSC y los parámetros que la afectan: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja8091278
Tendencias recientes en DSSC: http://www.azonano.com/details.asp?ArticleId=2542
El artículo de Wikipedia sobre DSSC: http://en.wikipedia.org/wiki/Dye_sensitized_solar_cell#cite_note-juan-6
Los principios de las DSSC y ejemplos de aplicaciones de las DSSC: http://web.archive.org/web/20120115014917/http://www.gpalmisano.altervista.org/PhotovoltaicsInternational.pdf
Referencias
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