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17 junio 2013

Celdas Solares Nanoestructuradas

Las necesidades futuras de energía de nuestro planeta solo podrán ser cubiertas si se cuenta con una fuente de energía barata y libre de CO2 . El abastecimiento de una población mundial, que se estima será de 10.000 millones de personas en 2050, requerirá de una producción energética de 28 Teravatios (TW) cuando actualmente esta producción es solo de 14 Teravatios (TW). Al mismo tiempo que crece la población mundial también lo hace, aunque aún insuficientemente, la preocupación de la sociedad acerca del calentamiento global. Esto impone la necesidad de aumentar el porcentaje que las energías libres de CO2 suponen en el ratio global de producción energética. 

La tecnología fotovoltaica, que consiste en la conversión de energía solar en energía eléctrica, es una opción muy prometedora para dar respuesta a estas necesidades energéticas. Actualmente, prácticamente toda la producción de energía fotovoltaica proviene de celdas solares basadas en silicio con un alto grado de pureza, lo que eleva considerablemente su coste. A pesar del gran descenso que ha sufrido el precio del silicio en los últimos años, el coste de estas celdas, como se mencionó anteriormente, sigue siendo elevado. A este coste hay que sumar un largo tiempo de retorno de la energía utilizada en el proceso de fabricación. En este escenario, parece poco probable que las celdas de silicio puedan responder por sí solas a todas las necesidades futuras de energía que se prevén. Tampoco parece que otros tipos de tecnologías fotovoltaicas, tales como las celdas de película delgada o las altamente eficientes celdas solares multiunión, puedan ser la respuesta a estas necesidades, ya que ambos tipos están basadas en elementos poco comunes en la tierra, y debido a su escasez, en el mejor de los casos, solo podrían cubrir un pequeño porcentaje de las necesidades energéticas mundiales. 

El desarrollo de celdas solares fotovoltaicas de tercera generación, que no dependan de elementos escasos y que, además, tengan un bajo coste, es de vital importancia. Con este objetivo en mente, los científicos han puesto su atención en el más importante proceso de conversión de luz en energía que encontramos en la naturaleza: la fotosíntesis, proceso mediante el cual las plantas han obtenido sus nutrientes desde hace 2 billones de años. Utilizando compuestos químicos sintéticos, este proceso puede ser reproducido en el laboratorio, llevando a cabo una fotosíntesis artificial que convierta la luz del sol en electricidad. 

Esta idea fue desarrollada por el Profesor Grätzel y su equipo, en la Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Suiza, a finales de los 80, cuando por primera vez las celdas solares sensibilizadas con colorante (DSSCs, por sus siglas en inglés), conocidas también como celdas de Grätzel, fueron presentadas a la comunidad científica. Estas celdas convierten la luz en electricidad a través de un proceso cíclico y regenerativo en el que no se produce un cambio químico neto, y que tiene muchas similitudes con el proceso de la fotosíntesis. Este tipo de celdas están formadas por una película fina de una matriz porosa formada por nanopartículas de un semiconductor de banda prohibida ancha, normalmente dióxido de titanio. El dióxido de titanio es un material barato y altamente disponible, presente en objetos cotidianos tales como pastas de dientes, pinturas u hojas de papel. El dióxido de titanio se deposita sobre un sustrato conductor de plástico o vidrio, y entonces una monocapa de moléculas de colorante se adsorbe químicamente sobre la superficie de este semiconductor. Esta película fina sensibilizada con el colorante está en contacto con un electrolito que contiene un par redox que actúa como conductor de huecos. Al absorber un fotón, las moléculas de colorante pasan a un estado excitado, desde el que inyectan un electrón a la banda de conducción del semiconductor. Los electrones inyectados viajan por el semiconductor hasta el circuito externo, y en el cátodo reducen la especie oxidada del electrolito, la cual, una vez reducida se encarga de regenerar al colorante, cerrándose así el ciclo regenerativo. Cuando se trata de celdas solares de estado sólido, el electrolito líquido es reemplazado por un semiconductor tipo P. 

Actualmente, el máximo de eficiencia de conversión de luz en energía eléctrica obtenida con este tipo de celdas es del 15%, que aunque inferior a la que se obtiene con celdas basadas en silicio, es una eficiencia muy prometedora. Además, este tipo de celdas presenta una serie de propiedades que no poseen las celdas tradicionales de silicio. Por ejemplo, al contrario que estas últimas, las DSSCs son muy eficientes captando luz difusa, por lo que pueden trabajar en días nublados o lluviosos, o incluso con luz ambiente, lo que las hace especialmente interesantes para su empleo en edificios autosuficientes. Debido a esto, según las condiciones de iluminación, la energía total que estas celdas generan a lo largo del día puede ser mayor que la obtenida con celdas de silicio. Además, pueden ser fabricadas usando técnicas de impresión “roll-to- roll”, son semiflexibles, semitransparentes, ligeras y están fabricadas con materiales de bajo coste y altamente disponibles. 

La producción de DSSCs puede ser escalada en meses, y, de hecho, hoy en día es la única tecnología fotovoltaica de tercera generación que está lista para su producción a gran escala. Las predicciones de mercado para esta tecnología son de más de 130 millones para 2023. Actualmente ya se están diseñando algunos productos para aplicaciones principalmente de interior y en dispositivos portátiles como, por ejemplo, mochilas, cargadores y teclados inalámbricos. No obstante, se esperan muchas otras aplicaciones para este tipo de celdas en el futuro, teniendo en cuenta que es posible su integración arquitectónica a un bajo coste. Las limitaciones de este tipo de celdas son principalmente encontrar una solución efectiva al problema del sellado del dispositivo, y aumentar la eficiencia hasta el nivel de las celdas fotovoltaicas de silicio. Además de las mencionadas anteriormente, esta tecnología es ideal para futuras aplicaciones de mercado como paradas de autobús, fachadas, techos de coches, sensores inalámbricos, aplicaciones militares, ventanas semitransparentes, etc
Fuente: Abengoa Research

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