Celdas solares de 3a generación
Por Marytere Narváez
Mérida, Yucatán. 7 de enero de 2016 (Agencia Informativa Conacyt).- En el Departamento de Física Aplicada de la Unidad Mérida del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav) del Instituto Politécnico Nacional (IPN), en colaboración con instituciones nacionales e internacionales, se desarrollan e investigan aplicaciones para celdas solares de tercera generación que —sensibilizadas por colorante— emulan el proceso de fotosíntesis para la obtención de energía.
Gerko Oskam, director investigador del Departamento de Física Aplicada y miembro nivel III del Sistema Nacional de Investigadores (SNI), inició la investigación en celdas solares de tercera generación cuando estudió su posdoctorado en Estados Unidos en 1993, dos años después de que fuera publicado el primer artículo de Michael Grätzel en el tema, de cuyo trabajo proviene el nombre celdas tipo Grätzel, con el que también se conocen.
A partir de su integración a la Unidad Mérida del Cinvestav, las celdas solares constituyen el tema central de sus líneas de investigación.
“El objetivo de la línea de investigación era generar conocimiento en la relación entre las propiedades estructurales de los nanomateriales que forman el sustrato de la celda, las propiedades ópticas de los colorantes que absorben la luz solar, la cinética de los procesos de transporte de carga en la celda, la cinética de los procesos de pérdida y su influencia en el desempeño final de la celda solar; el objetivo final sería mejorar la celda y optimizar su desempeño”, señaló el investigador en entrevista con la Agencia Informativa Conacyt.
La investigación en celdas solares de tercera generación es multidisciplinaria. Para fabricar una celda solar hay que sintetizar y caracterizar nanomateriales, estudiar moléculas que absorben la luz solar, hacer electroquímica para estudiar los procesos de transporte de carga y saber física de semiconductores para estudiar el desempeño de la celda solar.
De tal forma, la investigación da lugar a muchos subproyectos que permiten que estudiantes con diferentes intereses y especialidades puedan colaborar en aspectos de física aplicada, fisicoquímica y ciencia de materiales, además de aspectos de ingeniería y tecnología en los que participan estudiantes de doctorado y posdoctorado.
Para Renán Escalante Quijano, quien realiza su investigación de doctorado en el tema de celdas solares de tercera generación, las celdas emulan el funcionamiento de la fotosíntesis en una hoja. “Cuando la luz entra en contacto con el tinte, este genera un electrón. Normalmente en una hoja se almacena como azúcar, mientras que en las celdas solares es una carga que se inyecta a la banda de conducción del semiconductor que se encuentra en el interior de la celda, donde se transporta el electrón hasta el óxido transparente (TCO). Una vez colectados los electrones, estos pueden viajar a través del circuito a los que la celda está conectada”, comentó.
Eficiencia y escalamiento
A lo largo de más de 15 años de trabajo de investigación en el laboratorio del Cinvestav Unidad Mérida, las celdas han pasado de menos uno por ciento hasta ocho por ciento de eficiencia. “Lo que se persigue de estas celdas es la eficiencia, para lo cual se estudian sus procesos internos. La eficiencia teórica está por encima de 30 por ciento, pero actualmente, a nivel experimental, es de 11 por ciento. A la vez que se realizan los estudios para comprender la fisicoquímica involucrada en la celda, también se desarrolla la investigación de su escalamiento”, señaló Escalante Quijano.
En las celdas tipo Grätzel el colorante realiza la aportación electrónica, el semiconductor se encarga de proveer un camino para los electrones dentro de la celda y la solución electrolítica debe ser capaz de regenerar de forma eficiente el colorante. Además, deben manejarse capas compactas y tratamientos de tetracloruro de titanio y un scattering layer —el cual es equivalente a colocar un espejo detrás de las nanopartículas de dióxido de titanio que es el semiconductor—. Los mejores resultados se obtendrán cuando cada uno de los componentes se haya optimizado, esto será una eficiencia mayor.
En el laboratorio en Mérida se ha logrado pasar de cantidades muy pequeñas de corriente a una densidad de entre 14 mA/cm2 a 16 mA/cm2, cuando en la investigación mundial las celdas más eficientes de este tipo se encuentran sobre los 21 mA/cm2.
Por su parte, Escalante Quijano se ha enfocado en la técnica de depósito del semiconductor y en el escalamiento de la celda. Controlar el espesor le permite estimar la cantidad de colorante que puede capturarse dentro del mismo y, por lo tanto, determinar el espesor óptimo. La técnica del depósito del semiconductor que los investigadores del Cinvestav Unidad Mérida utilizan actualmente es la serigrafía, donde la variación es menor a 0.2 micras, una cantidad mucho menor que las técnicas utilizadas anteriormente.
Las celdas que se estudian en el laboratorio de la Unidad Mérida son de 0.5 cm2, en la primera aproximación para aumentar sus dimensiones se lograron minimódulos de 13.5 cm2 y posteriormente se incrementó el área activa a 23.8 cm2. Los módulos alcanzaron corrientes de 110 mA a 210 mA, con lo que ya se pueden mover pequeños motores.
Recientemente se adquirió un simulador solar con un haz de luz de 30 centímetros por 30 centímetros, preparándose para diseñar y fabricar módulos de 20 centímetros por 20 centímetros. Todo con la finalidad de obtener mayores corrientes.
“Con mayores corrientes podríamos cargar baterías AA en un momento dado, se dice fácil, pero ese paso es algo complicado porque implica dar entrada a un sistema de celdas solares sensibilizadas con colorante que tenga utilidad en la sociedad, porque aún estas celdas siguen estando en las primeras etapas de su desarrollo”, comentó Escalante Quijano.
Celdas de fabricación casera
Escalante Quijano señaló que las celdas de primera generación están hechas de materiales en bruto; se obtienen las obleas de silicio a través de un proceso de purificación y el material resultante es capaz de realizar la fotoconversión. Este sistema de conversión indirecta es uno de los más eficientes, pero continúa siendo uno de los de mayor costo y los materiales eran muy gruesos, aunque continuamente se están abaratando.
Las celdas de segunda generación son de películas delgadas, y para que en estas se lograra la conversión directa de luz a corriente eléctrica, se hacen aleaciones y combinaciones 
dopando materiales. El telurio de cadmio y el sulfuro de cadmio son algunos de los materiales que se utilizan para este fin, y actualmente son las celdas más comerciales porque tienen un precio que les permite estar en el mercado, con eficiencias que están en el orden de 12 por ciento a 16 por ciento de eficiencia, aunque en laboratorio su eficiencia está alrededor de 20 por ciento a 22 por ciento.
De acuerdo con el investigador, una de las mayores ventajas para los consumidores de energía que ofrecen las celdas de tercera generación es el costo. A diferencia de las celdas solares de estado sólido que requieren de cámaras de vacío, gases especiales y requisitos de pureza que implican gastos mayores, las celdas solares sensibilizadas por colorante podrían fabricarse en un mínimo de hora y media con una mesa y una parrilla de calentamiento. Por esta razón han sido llamadas como “celdas de cocina”, ya que, técnicamente, en la cocina de una casa podría fabricarse con los materiales correctos; sin embargo, las celdas de estudio en el laboratorio se fabrican en cuatro días cuidando cada detalle.
Además no tienen que tener una forma estándar, sino que puede ponerse la figura que sea con un valor estético. Las celdas sensibilizadas por colorante podrían ponerse en ventanas, recibir luz durante el día y producir corriente eléctrica para mover desde pequeños objetos hasta donde la celda llegue a desarrollarse. Toda celda solar necesita tener un enfoque perpendicular a la dirección de la luz, y las celdas solares pueden recibir luz desviada hasta 20 o 30 grados y siguen siendo estables porque la luz difusa aún produce corriente eléctrica en estas.
¿Cómo se fabrica una celda solar sensibilizada por colorante?
La celda solar tipo Grätzel se compone de dos partes principales: el electrodo de trabajo y el contraelectrodo. Ambos electrodos están basados en vidrio FTO (fluor tin-oxide), lo que les permite conducir la electricidad. Sobre el electrodo de trabajo se realiza el depósito por serigrafía de la película de dióxido de titanio (TiO2) y se realiza un tratamiento térmico para obtener una película mesoporosa. Posteriormente se realiza el sensibilizado sumergiendo la película dentro del colorante. En el contraelectrodo se deposita platino por goteo y luego se fija con un tratamiento térmico.
Tanto las técnicas de depósito como los materiales pueden ser variados, de forma que se van a obtener diferentes resultados en cada combinación, esto debido a cómo se relacionan los materiales entre sí; esta es una forma muy sencilla de resumir los estudios que se realizan sobre las celdas solares sensibilizadas con colorante. Una vez que se tiene el electrodo de 
trabajo y contraelectrodo listos se procede al armado de la celda, para lo que se utiliza un termoplástico. El termoplástico tiene la función de unir los electrodos mecánicamente y además de sellar herméticamente la celda. Luego se debe de realizar la inyección de una solución electrolítica y enseguida se realiza un segundo proceso de sellado. “La solución electrolítica va a ser la encargada de que se pueda regenerar el colorante y el proceso de intercambio de cargas dentro de la celda sea cíclico”, comentó el investigador.
La introducción de líneas de conducción de plata abrió nuevas posibilidades, logrando que se obtuviera una resistencia de 0.56 ohms en 7.5 centímetros con 0.6 centímetros de ancho y 12 micras de espesor. Los módulos que se producen aún funcionan a nivel de laboratorio y no tienen una larga vida, ya que para su medición bastan dos horas.
“El plan de trabajo ahora es desarrollar un modelo que nos permita decir cuáles serían las dimensiones óptimas entre los conductores, es decir, entre las líneas de plata, una vez que tengamos esa relación bien establecida, entender cómo se van a relacionar ahora con las áreas activas de la celda y entonces desarrollar un modelo que permita tener la relación óptima, con una buena relación de conducción de corriente a través de la línea de plata”, agregó Escalante Quijano.
En el laboratorio de la Unidad Mérida del Cinvestav se han implementado varias formas de caracterizar las celdas solares de tercera generación. La forma básica es la curva IV, donde se puede medir la potencia real de trabajo, a la que se suman el rise de corriente, el decaimiento de voltaje, corriente contra intensidad de luz, voltaje contra intensidad de luz y las más importantes serían la impedancia electroquímica, las técnicas de IMVS e IMPS, las eficiencias cuánticas y el transporte de carga interno en la celda.
Colaboraciones
Hay una fuerte colaboración con el grupo del doctor Juan Antonio Anta, de la Universidad Pablo de Olavide, en Sevilla, España, la University of Bath, en Inglaterra, la University of California, Davis, en Estados Unidos, la Uppsala University, en Suecia, y el Tokyo Tech, en Japón.
Asimismo, se colabora fuertemente con egresados del grupo, como David Reyes Coronado, de la Universidad de Quintana Roo, Julio Villanueva Cab, del Instituto de Física de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP), Humberto Mandujano Ramírez, de la Universidad del Carmen, y Germán Pérez Hernández, de la Universidad Juárez Autónoma de Tabasco (UJAT).
El subproyecto de escalamiento de la celda solar cuenta con fondos del consorcio Cemie-Solar (Centro Mexicano de Innovación en Energía Solar) liderado por la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM); y los investigadores del Cinvestav colaboran con varios grupos nacionales dentro del consorcio, como el grupo de Antonio Jiménez González, del Instituto de Energías Renovables de la UNAM en Temixco, Morelos.
Esta obra cuyo autor es Agencia Informativa Conacyt está bajo una licencia de Reconocimiento 4.0 Internacional de Creative Commons.
