Un nuevo método de sensibilización de paneles solares con tinte eleva espectacularmente la conversión de energía

La carrera de desarrollo en la industria solar fotovoltaica es intensa y muy relevante para el futuro de la energía solar, pues la competencia y la presión por liderar la descarbonización son muy elevadas.

Tanto los fabricantes como la comunidad científica destinan numerosos recursos a mejorar la eficiencia de conversión de energía. Es decir, la capacidad de las células fotovoltaicas de convertir en energía la radiación solar.

Actualmente, el mercado ofrece paneles solares que, de media, oscilan entre un 17 y un 23 % de eficiencia de conversión de energía. Una cifra superior a la de hace una década, pero aún insuficiente para considerarla realmente eficiente.

Células solares DSC

Científicos de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) llevan tiempo trabajando con células solares tipo DSC. Hablamos de las células solares mesoscópicas sensibilizadas por colorante, que Brian O`Regan y Michael Grätzel inventaron en los años 90 del siglo pasado.

Las popularmente conocidas como «células Grätzel» convierten la luz en electricidad gracias a fotosensibilizadores compuestos de colorantes. Estos absorben la luz e inyectan electrones en una matriz de nanocristales de óxido.

La clave de las células DSC es que se adhieren a la superficie de las películas de dióxido de titanio mesoporoso nanocristalino. Estas pueden embeberse en con electrolitos activos redox o con un material sólido de transferencia de carga. En cualquier caso, el objetivo es generar electricidad moviendo electrones desde el fotosensibilizador hacia un dispositivo o una unidad de almacenamiento.

Gracias a que las células DSC son transparentes, se pueden fabrican en varios colores a bajo coste, lo que ya permite su uso en diferentes aplicaciones: tragaluces, invernaderos, fachadas acristaladas, etc.

Cómo mejorar la conversión de energía de un panel DSC

Actualmente, versiones ligeras y flexibles de paneles DSC se comercializan a gran escala para aplicaciones de pequeño tamaño. Sin embargo, la eficiencia de conversión de energía de estos paneles es aún modesta.

La clave para cambiar eso está en comprender y controlar el ensamblaje de las moléculas de colorante en la superficie de la película de nanopartículas de dióxido de titanio. Una forma de conseguirlo es a través de lo que se denomina cosensibilización, que consiste en producir células DSC con dos o más colorantes diferentes que tienen una absorción óptica complementaria.

La combinación de estos tintes ha permitido mejorar la conversión de energía, pero este método también ha puesto de manifiesto que puede ser ineficaz en algunos casos, ya que encontrar los pares correctos de colorantes requiere un diseño, síntesis y detección molecular minuciosos.

Empaquetamiento de moléculas de tinte

Los avances de los científicos de la EPFL van en esa dirección, ya que han encontrado un modo de mejorar el empaquetamiento de dos moléculas de tinte fotosensibilizador de nuevo diseño para mejorar el rendimiento fotovoltaico.

La nueva técnica consiste en preadsorber una monocapa de un derivado del ácido hidroxámico sobre la superficie de dióxido de titanio mesoporoso nanocristalino.

Esto hace que la adsorción de los dos sensibilizadores se ralentice, lo que permite la formación de una capa de sensibilizador bien ordenada y densamente empaquetada en la superficie del dióxido de titanio.

Con este enfoque, el equipo de la EPFL pudo desarrollar células DSC con una eficiencia de conversión de energía del 15,2 % por primera vez bajo luz solar simulada global estándar. Además, su estabilidad operativa a largo plazo quedó probada durante 500 horas.

Este valor, sin embargo, no es espectacular. Lo verdaderamente relevante es que, al aumentar el área activa a 2,8 centímetros cuadrados, la eficiencia de conversión de energía se elevó a un rango de entre el 28,4 % y el 30,2 %, además en una amplia gama de intensidades de luz ambiental junto con una estabilidad excepcional.

Este dato sí es realmente un récord de conversión de energía, ya que otros avances destacados en tecnología fotovoltaica no han superado el 27 % hasta la fecha. ¿Podrá está técnica aplicarse a la producción a gran escala a medio plazo? Aún es pronto para decirlo, pero no cabe duda de que es un avance muy prometedor.