Células Solares Graetzel: Funcionamiento, ventajas, desventajas y futuro

Las células solares de Graetzel, también conocidas como células solares sensibilizadas por colorante, representan una interesante alternativa a las tecnologías fotovoltaicas tradicionales.

En este artículo, exploraremos en profundidad su funcionamiento, estructura, eficiencia, ventajas, desventajas y aplicaciones potenciales. Además, analizaremos el estado actual de su desarrollo y las proyecciones sobre su adopción en el mercado global.

Finalmente, presentaremos una tabla comparativa que resalta las diferencias entre las células de Graetzel y otros tipos de células solares como las monocristalinas y las de teluro de cadmio.

¿Qué es una Célula de Graetzel?

Una célula solar de Graetzel es un tipo de célula fotovoltaica que utiliza un colorante sensible a la luz para capturar la energía solar. Fueron inventadas por Brian O'Regan y Michael Graetzel, del que obtienen su nombre.

Sus aplicaciones van desde las integración en edificios (BIPV) hasta aplicaciones en dispositivos electrónicos, o carga portátil de baterías.

¿Cómo es la estructura de una célula Graetzel?

Esta célula está compuesta por varias capas: un electrodo de vidrio recubierto de óxido de titanio, una capa de colorante fotosensible, un electrolito y un contraelectrodo.

A continuación, presentamos una imagen que ilustra claramente estas partes:

1. Anodo Fotossensibilizado: Generalmente es un vidrio conductor transparente (ITO o TCO) recubierto con una capa gruesa de dióxido de titanio (TiO2) nanoparticulado. Este TiO2 actúa como semiconductor y proporciona una gran superficie para la absorción de los colorantes.
2. Capa de Colorante: Los colorantes sensibles a la luz, como los derivados de rutenio, están adheridos a las nanopartículas de TiO2. Estos colorantes son cruciales porque absorben luz solar y son responsables de la generación de electrones libres al ser excitados por la luz.
3. Electrolito: Un medio líquido o gel que contiene un par redox, típicamente yoduro/triyoduro, que facilita el transporte de electrones desde el cátodo de vuelta al colorante, regenerándolo.
4. Cátodo: A menudo hecho de platino o de materiales basados en carbono como el grafito, este componente es crucial para recoger los electrones del circuito externo y completar el ciclo enviándolos al electrolito.

¿Cómo funciona una Célula de Graetzel?

El proceso de conversión de luz en electricidad en una célula de Graetzel comienza cuando el colorante absorbe la luz solar y libera electrones. Estos electrones viajan a través del óxido de titanio y llegan al electrodo externo, generando corriente eléctrica. Posteriormente, los electrones retornan al colorante a través del electrolito, completando el circuito.

El principio de operación de las células solares de Graetzel, o células solares sensibilizadas por colorante (DSSC, por sus siglas en inglés), se basa en la fotoelectroquímica.

A continuación, se detalla exhaustivamente cómo estos dispositivos convierten la luz solar en energía eléctrica:

1. Absorción de Luz y Excitación de Electrones: Los colorantes que han sido adsorbidos en la superficie del TiO2 capturan la energía de la luz solar, lo que lleva a la excitación de electrones. Esta excitación mueve los electrones a un nivel energético más alto dentro del colorante. Similar a lo que sucede con las células solares semiconductoras convencionales.
2. Inyección de Electrones: Los electrones excitados se inyectan rápidamente desde el colorante hacia el TiO2 debido a la afinidad de este último por los electrones. Este es un paso clave para la generación de corriente eléctrica, ya que los electrones ahora pueden moverse libremente a través del TiO2 hacia el electrodo conductor (ITO).
3. Migración de Electrones y Generación de Corriente: Una vez en el TiO2, los electrones migran hacia el electrodo conductor externo (ITO), generando una corriente eléctrica que fluye a través del circuito externo conectado al dispositivo que se ha esquematizado en la figura como "Polímetro".
4. Regeneración del Colorante: Simultáneamente, el colorante que ha perdido un electrón (oxidado) recupera un electrón del electrolito. El electrolito, enriquecido con yoduro, dona un electrón al colorante, permitiendo que continúe absorbiendo luz solar y generando más electrones.
5. Cierre del Circuito: Los electrones que fluyen a través del circuito externo llegan al cátodo, donde reducen el triyoduro a yoduro en el electrolito, completando así el ciclo eléctrico.

¿Qué eficiencia tiene una célula Graetzel?

Actualmente, las células de Graetzel tienen una eficiencia de aproximadamente 11-12%, aunque estudios sugieren que podrían alcanzar hasta un 15% con optimizaciones en materiales y procesos.

Esta eficiencia, si bien inferior a la de las células solares más convencionales, es competitiva en aplicaciones donde la transparencia y la flexibilidad son esenciales.

La eficiencia de una célula de Graetzel depende de múltiples factores:

• Eficiencia de Absorción del Colorante: Es decir, cuánto espectro solar puede absorber efectivamente el colorante.
• Eficiencia de Inyección de Electrones: Qué tan efectivamente los electrones excitados son transferidos al TiO2 sin recombinarse.
• Recolección de Electrones: La eficiencia con la que los electrones son recolectados en el electrodo y pasan a través del circuito externo.

Se están investigando mejoras en la capa de TiO2 para aumentar la eficiencia de adsorción del colorante y optimizar el grosor de la capa para mejorar la corriente de cortocircuito y la tensión de circuito abierto. Experimentos con diferentes materiales para el cátodo, como el grafito reciclado, están demostrando ser alternativas viables al platino, reduciendo costos y manteniendo la eficacia.

¿Qué Ventajas y Desventajas tienen las Células Graetzel?

Ventajas:

• Flexibilidad en su diseño.
• Capacidad de operar en condiciones de baja luz.
• Potencial para ser más económicas debido a los materiales de bajo costo.
• Trasnparencia para aplicaciones de integración.

Desventajas:

• Menor eficiencia en comparación con tecnologías más establecidas.
• Durabilidad y estabilidad a largo plazo son áreas que requieren mejoras.

Comparativa de Ventajas y Desventajas con otros tipos de células solares:

A continuación mostramos en una tabla que compara las células de Graetzel con otras tecnologías fotovoltaicas, destacando sus fortalezas y debilidades en relación con alternativas como las células IBC, HJT y TOPCon.

Tipo de Célula	Ventajas	Desventajas
Graetzel	Bajo costo, flexible, útil en baja luz	Menor eficiencia, menor durabilidad
Monocristalina	Alta eficiencia, durabilidad	Costo más alto, menos flexible
IBC	Muy alta eficiencia, buena estabilidad	Costo elevado
HJT	Alta eficiencia, menor pérdida térmica	Tecnología compleja y costosa
Teluro de Cadmio	Buen rendimiento en altas temperaturas	Preocupaciones ambientales
TOPCon	Alta eficiencia, potencial de bajo costo	Tecnología todavía en desarrollo

¿Qué aplicaciones tienen las células Graetzel?

Las células de Graetzel son especialmente útiles en dispositivos portátiles y en edificaciones como ventanas que aprovechan la luz solar. Su capacidad para integrarse en superficies transparentes y flexibles abre un amplio rango de aplicaciones innovadoras.

¿Qué aplicaciones se esperan en el mercado real?

Se espera que el mercado para las células de Graetzel crezca moderadamente en la próxima década. La mejora en su estabilidad y eficiencia será crucial para su adopción más amplia, especialmente en aplicaciones de consumo masivo.

¿Dónde se pueden comprar placas solares con células Graetzel?

La comercialización de paneles solares Graetzel aún es incipiente y requiere de un plazo de desarrollo para que su presencia en el mercado sea rentable. A día de hoy puedes comprar placas solares en nuestra tienda online con mejores eficiencias mientras esperas a que los paneles solares Graetzel comiencen a estar disponibles.

¿Qué tipos de placas solares utilizan células Graetzel?

En la actualidad aún no se comercializan paneles solares con células Graetzel, aunque si se espera una progresiva penetración en el mercado a medida que mejoren sus niveles de eficiencia. A día de hoy, existen varios tipos de placas solares con mayor presencia en el mercado global.

Conclusiones sobre las células solares Graetzel:

Este análisis detallado revela que, mientras las células de Graetzel ofrecen oportunidades únicas, también enfrentan desafíos significativos que deben abordarse para lograr una penetración en el mercado. En cualquier caso, si las investigaciones en curso logran mejorar la eficiencia de conversión, sus aplicaciones son muchas y muy interesantes como la excelente integración que pueden tener para edificios y viviendas.

Autor / Redactor: