En busca de células solares que atrapen más luz

energía solar

Las células solares de película delgada sensibilizadas por colorante son más baratas de fabricar que las células de silicio convencionales, pero siguen siendo relativamente ineficaces.

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n la actualidad, varios investigadores de la Universidad de Stanford han utilizado un reflector de metal especialmente diseñado para aumentar la eficiencia de las células solares sensibilizadas por colorante y de electrolito sólido hasta en un 20 por ciento. El reflector es una fina película de plata con una serie de bultos a nanoescala. Los investigadores utilizan la película para cubrir la superficie trasera de las células; la película ayuda a atrapar más luz dentro de las células. "Obtenemos entre un 5 y un 20 por ciento más de absorción en función del colorante", afirma Michael McGehee, director del Centro de Fotovoltaica Molecular Avanzada en Stanford. McGehee dirigió la investigación, que fue publicada en línea esta semana en la revista Advanced Energy Materials.

Recientemente hicieron su debut comercial células de película delgada sensibilizada por colorante con una eficiencia de conversión de luz-electricidad del 11 por ciento. Sin embargo, utilizan electrolitos líquidos volátiles y con posibilidades de fugas. Las células con electrolitos sólidos sólo han demostrado eficiencias de alrededor del 5 por ciento.

"Tomaron la mejor célula con colorante y de estado sólido que pudieron encontrar, y la mejoraron", afirma David Ginger, profesor de química en la Universidad de Washington, en relación a los investigadores de Stanford. "Incluso mejor aún, lo hicieron usando una tecnología y unos métodos que podrían utilizarse potencialmente en un entorno de producción".

Las células solares basadas en colorante se componen de nanocristales semiconductores (generalmente dióxido de titanio, o titania) que se recubren con moléculas de colorante y se colocan-junto con un electrolito-entre hojas de vidrio o plástico. El colorante absorbe la luz y crea electrones, además de huecos de carga positiva. Los cristales transfieren los electrones a un electrodo para producir una corriente eléctrica, mientras que el electrolito lleva los agujeros al otro electrodo.

Sin embargo, los electrolitos sólidos no son tan eficientes como los líquidos, y los electrones y los huecos se recombinan con mayor facilidad. Para evitarlo, la capa de dióxido de titanio es muy delgada-normalmente de dos micrómetros. Sin embargo cuanto más delgadas sean las células, más rápido pasa la luz a través de ellas sin ser absorbida. Los esfuerzos de investigación por mejorar la eficacia de estas células se han centrado en el desarrollo de colorantes más fuertes y nuevos tipos de nanocristales. Sin embargo McGehee y sus colegas utilizaron reflectores plasmónicos para mejorar la eficiencia de su célula.

Los plasmones son las oscilaciones de los electrones en una superficie de metal cuando resultan excitados por la luz. Al controlar la forma de la superficie, se puede controlar el tipo de plasmones creados, lo que a su vez influye en cómo la luz interactúa con el material.

El reflector de Stanford tiene baches que crean plasmones, que a su vez hacen girar 90 grados algunos de los rayos de luz entrantes. Así que en lugar de rebotar fuera de la plata y salir de la célula, una mayor cantidad de luz se esparce dentro de la célula, dando al colorante más tiempo para absorberla.

Los investigadores crearon sus dispositivos cubriendo el vidrio con una capa de electrodo conductor transparente sobre la que se depositó una capa de nanopartículas de óxido de titanio. Después, tomaron un pedazo de cuarzo cubierto con bóvedas de 600 nanómetros de ancho y lo presionaron sobre la titania, grabándola de forma efectiva con pequeños agujeros. Por último, añadieron capas de colorante y de plata.

"Esta es la primera vez que las estructuras plasmónicas se han aplicado a células solares sensibilizadas por colorante en estado sólido, obteniendo un aumento sustancial de la eficiencia de las células", afirma Kylie Catchpole, investigadora de la Universidad Nacional de Australia. Catchpole está utilizando plasmónicos como trampas de luz para aumentar la eficiencia de otros tipos de células solares de película delgada.

Aún hay que realizar mucho trabajo antes de que la tecnología llegue al mercado, asegura Martin Green, que trabaja en componentes fotovoltaicos para la captura de luz en la Universidad de Nueva Gales del Sur. Green señala que las células sensibilizadas por colorante han "atraído gran interés por parte de la comunidad académica, pero han experimentado un bajo impacto comercial debido a las bajas eficiencias y a su dudosa durabilidad", en comparación con las células comerciales. Las células de electrolito líquido ya han sido introducidas en el mercado, aunque Green también se muestra escéptico acerca de sus perspectivas.

McGehee, sin embargo, confía en que será posible alcanzar eficiencias suficientemente altas. Los investigadores están intentando crear reflectores con baches de diferentes tamaños, alturas, espaciado y patrones. Al ajustar estos factores, deben ser capaces de aumentar la cantidad de luz que las células pueden absorber. También podrían explorar diferentes colorantes. "Definitivamente parece haber un camino claro para llevar la eficiencia por encima del 20 por ciento", afirma.