¿Cómo funciona una celda solar?

Siguiendo la moda de la energía sustentable, una de las más recientes y novedosas creaciones de la nanotecnología son las celdas solares sensibilizadas con tintes. A ventaja de las celdas hechas con oxido de silicio mono y policristalino, estas ofrecen la posibilidad de economizar la fabricación de dichos dispositivos además de lograr rendimientos de hasta el 11% de conversión de energía.

Para la fabricación de estos dispositivos se usa un sustrato conductor y transparente, el cual puede ser una fina capa de algún metal, sobre el cual se deposita una capa fina y porosa de un oxido semiconductor en forma nanocristlina o nanoparticulada, por lo regular dióxido de titanio o de zinc. Este será nuestro electrodo de trabajo.

Posteriormente se deposita un tinte, y aquí es donde viene la parte divertida y ecológica  pues dichos tintes pueden extraerse de frutos, flores o raíces, tales como moras, jamaica, zanahoria  etc. o bien si hay presupuesto se pueden comprar compuestos diseñados para este fin, tales cómo los tintes basados en rutenio.

A continuación en un sustrato similar al primero, se hace un deposito ya sea de paladio o de grafito, el cual se colocará contra la tintura, esta segunda placa será nuestro contraelectrodo. Se fijan ambas placas y se añade un electrolito entre ellas el cual debe ser un par oxido reductor. Comúnmente se usa yodo-triyoduro para este fin.

Lo que sigue es exponer la celda a la luz. Esta debe incidir sobre el electrodo de trabajo, de esta manera los fotones son absorbidos por el tinte, esto genera que el electrón del orbital más externo (HOMO) salte a un estado de mayor energía (LUMO), lo cual le permite entrar en la banda de conducción del semiconductor, de esta manera el tinte queda en un estado oxidado. Al cerrar el circuito este electrón se mueve hacia el contraelectrodo, lo cual causará la reducción del electrolito. Finalmente el electrolito regenera el tinte regresando el electrón al HOMO.

De esta manera, mediante un ciclo REDOX se produce un voltaje de una manera economica. 

Entre los aspectos importantes a tomar en cuneta es que el LUMO del tinte sea de mayor energía que la banda de conducción que el semiconductor con la finalidad de que el electrón salte fácilmente en ella, así como que el estado reducido del electrolito sea de mayor energía que el HOMO para que el tinte se regenere sin ningun problema. 

Otra de las consideraciones es que el tinte tenga varios picos de absorción a lo largo del espectro electromagnetico, es decir, que el salto de el electrón se de tanto con luz infrarroja, visible (en cualquier color) o ultravioleta. Esto con la finalidad de aprovechar al máximo la radiación solar.

Listo, ahora puedes hacer tu propia celda solar, a menos que te comas las zarzamoras antes de extraerles el tinte.

Nuevo material podría aumentar la eficiencia de la célula solar

Un grupo de investigación reunió a los aspectos de la física de la materia condensada, la ingeniería de dispositivos semiconductores y fotoquímica de desarrollar una nueva forma de fotocatálisis solar de alto rendimiento basado en la combinación de los otros óxidos "metálicos" que mejorará en gran medida de lo visible TiO2 (dióxido de titanio) y absorción de luz y promover la utilización más eficiente del espectro solar para aplicaciones de energía.

La característica principal que limita el rendimiento de módulos fotovoltaicos a base de óxido y / o sistemas fotocatalíticos que tradicionalmente ha sido la mala absorción de la luz visible en estos materiales de banda prohibida frecuencia de ancho. Un material óxido candidato para tales aplicaciones es TiO2 anatasa, que es posiblemente el fotocatalizador más ampliamente estudiado debido a su estabilidad química, no toxicidad, de bajo costo, y excelente banda alineación para varias reacciones de oxidación-reducción. A medida que la columna vertebral de las células solares sensibilizadas por colorante, sin embargo, la presencia de un ligero tinte de absorción de las cuentas de un gran espacio de banda que limita el uso eficiente de todos, pero la parte ultravioleta de la luz solar.

Se has observado que la estructura electrónica inusual de SrRuO3 también es responsable de las propiedades ópticas inesperados incluyendo una alta absorción en el espectro visible y baja reflexión en comparación con los metales tradicionales. Al combinar este material a TiO2 se demuestra una mayor absorción de la luz visible y grandes actividades fotocatalíticas.

SrRuO3 es un óxido de electrones correlacionada que se sabe que poseen dependencia de la temperatura metálico-como de su resistividad y ferromagnetismo itinerante y por su amplia utilidad como un electrodo conductor en heteroestructuras de óxido. Pero es probable inadecuada como la estructura electrónica y propiedades se derivan de una combinación de la densidad electrónica compleja de los estados, las correlaciones de electrones, y más.

Utilizando un proceso llamado inyección en caliente portador fotoexcitado del SrRuO3 al TiO2, los investigadores crearon nuevas heteroestructuras cuyas propiedades ópticas novedosas y de alto rendimiento fotoelectroquímico resultante proporciona un nuevo enfoque interesante que podría avanzar en el campo de la fotocatálisis y ampliar aún más el potencial aplicaciones de otros óxidos metálicos.

Este trabajo ofrece un enfoque nuevo y emocionante para el desafío de diseñar materiales fotosensibles de luz visible, y ha dado lugar a una solicitud de patente provisional.