Los avances recientes en fotosensibilizadores y otros componentes han mejorado el rendimiento de las células fotovoltaicas de pigmento fotosensible mesoscópico (DSC), tanto con luz solar directa como con luz ambiental. Los científicos de los grupos Grätzel y Anders Hagfeldt de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) han desarrollado ahora un método para mejorar el ensamblaje de dos nuevas moléculas de pigmento fotosensibilizante y aumentar el rendimiento fotovoltaico de las DSC, conocidas también como células fotovoltaicas Grätzel. Juntos, estos nuevos fotosensibilizadores pueden recolectar una gran cantidad de luz en todo el rango visible.
La clave para mejorar la eficiencia de las DSC radica en comprender y controlar el ensamblaje de las moléculas de pigmento en la superficie de las películas de nanopartículas de dióxido de titanio que promueven la generación de la carga eléctrica.
Nuevas vías para DSC de alto rendimiento
La nueva técnica desarrollada consiste en la preadsorción de una monocapa de un derivado del ácido hidroxámico sobre la superficie de dióxido de titanio nanocristalino mesoporoso. Esto tiene el efecto de ralentizar la adsorción de los dos fotosensibilizadores y permitir así la formación de una capa densa y bien ordenada de fotosensibilizador sobre la superficie de óxido de titanio.
Con este enfoque, el equipo pudo desarrollar DSC que ofrecen una eficiencia de conversión de energía del 15,2% con luz solar simulada estándar por primera vez, con una estabilidad operativa probada a largo plazo de más de 500 horas. El aumento de la superficie activa de 2,8 cm2 permitió obtener una eficiencia de conversión de potencia entre el 28,4% y el 30,2% en un amplio rango de intensidades de luz ambiental, con una excelente estabilidad.
Los autores explican que estos hallazgos allanan el camino para un fácil acceso a las DSC de alto rendimiento y abren vías prometedoras para aplicaciones como el reemplazo de la energía de la batería y la red eléctrica de dispositivos electrónicos de bajo consumo que utilizan la luz ambiental como fuente de energía.
Historia y aplicaciones de las células fotovoltaicas Grätzel
Las células fotovoltaicas de pigmento fotosensible mesoscópico (DSC) fueron inventadas en la década de 1990 por Brian O’Regan y Michael Grätzel, profesor de la EPFL, tomando el nombre de este último para convertirse en las famosas células «Grätzel». Los DSC convierten la luz en electricidad usando fotosensibilizadores; estos pigmentos absorben la luz e inyectan electrones en una red de nanocristales de óxido, que luego se recogen como corriente eléctrica.
En las DSC, los fotosensibilizadores se adhieren (adsorben) a la superficie de películas de dióxido de titanio nanocristalino mesoporoso que están empapadas con electrolitos redox activos o un material de transporte de carga sólido. Toda la estructura tiene como objetivo generar electricidad moviendo electrones desde el fotosensibilizador a un salida eléctrica, como un electrodoméstico o una unidad de almacenamiento.
Las DSC son transparentes, se pueden fabricar en varios colores para reducir costos y ya están integradas en tragaluces, invernaderos y fachadas de vidrio, como las del SwissTech Convention Center. Además, las versiones flexibles ultraligeras de las DSC ahora se venden a gran escala comercialmente para la fuente de alimentación de equipos electrónicos portátiles como auriculares o luces de lectura, así como en el campo del Internet de las Cosas, utilizando luz ambiental.