Uno de los ámbitos dentro la energía solar en el que los científicos investigan actualmente tiene que ver con las estructuras de óxido de titanio revestidas de colorantes especiales con características particulares que dan lugar a procesos de transferencia energética y electrónica similares a los de la fotosíntesis en las plantas.
Estas estructuras sensibilizadas por colorante son capaces de ofrecer energía a partir de la luz del sol, y utilizan materiales orgánicos que son más baratos y más ligeros que el silicio y que pueden favorecer el desarrollo de placas solares flexibles y por tanto más adaptables a las superficies donde sean ubicadas.
"Hasta el momento, las células inorgánicas de silicio han demostrado ser las más eficientes, con unos rendimientos cercanos al 18 por ciento, y son las únicas comercializadas", según ha explicado el científico español Tomás Torres, director del Departamento de Química Orgánica de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM).
Pero aparte de sus ventajas en eficiencia energética, "estas placas solares de silicio tienen inconvenientes importantes porque son muy caras, tienen gran peso y son muy poco flexibles".
Una alternativa con la que se trabaja actualmente en el ámbito de los compuestos orgánicos son las células plásticas cuya eficiencia ronda el 6 por ciento en laboratorio, lo que las hace poco eficientes teniendo en cuenta que la rentabilidad es considerada a partir del 15 por ciento; su adaptabilidad no obstante es "extraordinaria", según Torres.
Otra tecnología más antigua pero probablemente más prometedora que la anterior y en la que también trabajan los científicos es la relacionada con las denominadas células de Grätzel o células solares sensibilizadas por colorante, denominadas DSSC, que han alcanzado ya eficiencias del 12 por ciento.
Estas células solares se basan en un colorante orgánico especial que absorbe la luz del Sol (los fotones), y a continuación se producen electrones que se inyectan a la parte inorgánica que es el dióxido de titanio.
La clave en la rentabilidad energética de estas placas está relacionada con los niveles de absorción de la luz solar, y en el marco de esta investigación, los expertos han descubierto que la eficiencia del colorante para absorber luz aumenta "drásticamente" cuando al electrolito, que es otro punto fundamental de estas células, se le agrega otra molécula orgánica capaz de absorber fotones de alta energía y transferirlos.
Los niveles de eficiencia de las células solares en ese caso pueden llegar a aumentar en dos o tres puntos, ha añadido el científico de la UAM.
Ese cuarto componente agregado que es una nueva molécula orgánica incorporada dentro del electrolito se denomina perileno y se trata de "un cromóforo altamente fotoluminiscente no anclado en el dióxido de titanio", según Torres.
La ventaja es que no ocupa espacio en el titanio, ya ocupado por la molécula clave en todo este proceso que es una ftalocianina de Zinc, denominada TT1, que ha sido preparada en el laboratorio de Torres.
El perileno excitado por la luz solar es capaz entonces de transferir energía a la ftalocianina anclada en el dióxido de titanio que hace que este compuesto (TT1) inyecte más electrones en el titanio, aumentando drásticamente la eficiencia de la célula.
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Increased light harvesting in dye-sensitized solar cells with energy relay dyes
Brian E. Hardin1,2, Eric T. Hoke1, Paul B. Armstrong3, Jun-Ho Yum2, Pascal Comte2, Tomás Torres4, Jean M. J. Fréchet3, Md Khaja Nazeeruddin2, Michael Grätzel2 & Michael D. McGehee1
Abstract
Conventional dye-sensitized solar cells have excellent charge collection efficiencies, high open-circuit voltages and good fill factors. However, dye-sensitized solar cells do not completely absorb all of the photons from the visible and near-infrared domain and consequently have lower short-circuit photocurrent densities than inorganic photovoltaic devices. Here, we present a new design where high-energy photons are absorbed by highly photoluminescent chromophores unattached to the titania and undergo Förster resonant energy transfer to the sensitizing dye. This novel architecture allows for broader spectral absorption, an increase in dye loading, and relaxes the design requirements for the sensitizing dye. We demonstrate a 26% increase in power conversion efficiency when using an energy relay dye (PTCDI) with an organic sensitizing dye (TT1). We estimate the average excitation transfer efficiency in this system to be at least 47%. This system offers a viable pathway to develop more efficient dye-sensitized solar cells.
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1. Department of Material Science and Engineering, Stanford University, Stanford, California, 94305-4045, USA
2. Laboratoire de Photonique et Interfaces, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, CH-1015, Lausanne, Switzerland
3. Department of Chemistry, University of California, Berkeley, California 94720-1460, USA
4. Departamento de Química Orgánica (C-I) and Departamento de Física de Materiales (C-IV), Facultad de Ciencias, Universidad Autónoma de Madrid, Cantoblanco, 28049 Madrid, Spain
www.nature.com/nphoton/journal/v3/n7/abs/nphoton.2009.96.html
www.nature.com/nphoton/journal/v3/n7/extref/nphoton.2009.96-s1.pdf
