Electrónica orgánica para mejorar celdas solares

En las últimas décadas, las innovaciones tecnológicas y la producción industrial masiva en países como China han contribuido a mejorar la eficiencia energética de las celdas solares, es decir, de su potencial para transformar la energía solar que captan en electricidad.

Las primeras celdas solares se fabricaban con silicio mono o policristalino, que sigue siendo el material más común; después se emplearon otros como arsenuro de galio y perovskita, con los cuales se han alcanzado eficiencias de conversión mayores a 40%.

• Las celdas solares son dispositivos que transforman la luz solar en energía eléctrica mediante uniones de materiales semiconductores (ni completamente aislantes ni conductores), a través de los cuales se genera una corriente.

Sin embargo, el alto costo de estos insumos y los subsidios que reciben las fuentes tradicionales de energía, como los combustibles derivados del petróleo, han dificultado su expansión masiva.

Ante esta situación, las compañías están desarrollando celdas solares de tercera generación hechas con materiales que imitan el proceso mediante el cual las plantas aprovechan la luz solar para producir energía.

Estas contienen películas finas con materiales de bajo costo que no poseen niveles tan altos de eficiencia energética como la perovskita, pero constituyen una buena alternativa para penetrar masivamente en los mercados donde la demanda de fuentes renovables de energía crece paulatinamente.

Una muestra de ello son las celdas solares sensibilizadas con colorante orgánico (dye sensitized solar cells), también conocidas como Grätzel, debido al apellido de uno de sus inventores. Estos dispositivos poseen una capa de dióxido de titanio (que funciona como aceptora, es decir, que capta electrones y un colorante sensibilizador (que los transfiere) tras excitarse con la luz solar.

Aunque estas fotoceldas tienen algunos inconvenientes como el desgaste de sus componentes en ciertas condiciones ambientales, presentan cualidades como flexibilidad, transparencia y facilidad de manipulación, que se suman a su bajo costo, lo cual las hace una opción atractiva para la industria.

La producción de esta clase de fotoceldas podría mejorarse sustancialmente al utilizar un nuevo compuesto sintetizado por expertos del Instituto de Investigaciones en Materiales (IIM) de la UNAM, quienes recientemente obtuvieron la patente respectiva ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Intelectual.

Se trata de un material formado por compuestos dendríticos -por su forma que asemeja a las ramificaciones neuronales o dendritas- con dos grupos químicos que interactúan entre sí: pireno y porfirina.

“El compuesto que sintetizamos, que funciona como colorante sensibilizador, absorbe la luz solar tanto en la zona del espectro ultravioleta cercano como en el visible”, explica el líder de esta investigación, Ernesto Rivera García.

De tal forma, dicho colorante puede excitarse, transferir un electrón al dióxido de titanio y formar así dos cargas que se separan (positiva y negativa), lo que posibilita la conducción eléctrica en la celda. 

La ventaja que tienen estos compuestos, con los que pueden fabricarse celdas con una conversión fotovoltaica de hasta 15%, es que son muy ligeros y su preparación no resulta complicada, añade el experto, quien obtuvo la patente junto con los investigadores Gerardo Zaragoza Galán, Antonio Sánchez Colín y Salvador López Morales.

Efecto antena 

Esta innovación de los científicos del Departamento de Reología y Mecánica de Materiales se basa en el llamado efecto antena: de la misma forma en que esta estructura capta y amplifica las ondas electromagnéticas que reciben nuestros aparatos de radio y TV, los grupos pirenos de la antena molecular reciben la luz solar y la transfieren a la porfirina.

Rivera García explica así este fenómeno físico de transferencia de energía. “En la molécula tenemos cuatro grupos pirenos que son los donadores (de electrones), mismos que al excitarse con la luz solar transfieren toda su energía a un solo grupo aceptor, es decir la porfirina”.

Esto contribuye a mejorar la eficiencia de conversión de las fotoceldas y reducir los costos de producción. Sin embargo, no es el único uso posible de los nuevos compuestos, pues con ellos también podrían fabricarse sensores u otros dispositivos electrónicos muy comunes en la industria, como los diodos emisores de luz.

Los precursores empleados -aclara Rivera García- que tienen sólo pireno y no porfirina son emisores de luz azul, mientras el compuesto final completo con ambos emite luz roja. “Por lo tanto, con ellos podrían fabricarse diodos electroluminiscentes en cualquiera de esos dos colores”.

Para determinar estas propiedades foto-físicas, el científico del IIM y sus colaboradores internacionales, que publicaron su reporte en la revista Journal of Physical Chemistry C realizaron análisis con técnicas como absorción de ultravioleta, así como fluorimetría o espectroscopía de fluorescencia, basada en la emisión fluorescente de una muestra.

Con esto, los expertos observaron el espectro de absorción de luz de los compuestos, es decir, en qué franjas ocurre ese fenómeno. “Queríamos ver qué rango del espectro visible absorbían y encontramos que el pireno absorbe principalmente el ultravioleta, mientras la porfirina lo hace en el visible”, recuerda Rivera García.

El interés por estudiar las porfirinas ha aumentado en los últimos años debido a su gran similitud con las sustancias naturales como la clorofila, que intervienen durante las primeras fases de la fotosíntesis de las plantas, proceso mediante el cual aprovechan la energía de la luz para transformar compuestos inorgánicos en otros de tipo orgánico.

De modo que, al conocer estos procesos, los científicos pueden manipular las características físicoquímicas de las porfirinas para adecuar sus propiedades y de esa forma aprovecharlas en el desarrollo de nuevos materiales electrónicos orgánicos.

Con este conocimiento acumulado, los científicos continuarán trabajando los nuevos materiales con miras a mejorar la eficiencia de conversión de las fotoceldas; y en caso de lograrlo, anticipa Rivera García, buscarán también la patente internacional sobre este desarrollo.