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Proceso electroquimico en celdas solares sensibilizadas con un colorante natural.

Electrochemical process in solar cells sensibilized with a natural dye

INTRODUCCION

Una sorprendente maquinaria perfeccionada por la naturaleza a lo largo de los siglos es la fotosintesis natural, que es el proceso por medio del cual las plantas, algunas bacterias y las algas usan la luz solar como fuente de energia, el C[O.sub.2] de la atmosfera y el agua como quimicos para llevar a cabo dos reacciones importantes para la supervivencia y el crecimiento de la humanidad: la descomposicion del agua en oxigeno molecular, acompanado por la reduccion de C[O.sub.2] en carbohidratos y otros productos ricos en carbon (Blankenship, 2002; Gernot, 2008; Buchner y Ewingen, 2009).

La extensa quema de combustibles fosiles y la gran contaminacion de la industrializacion han alterado el balance natural de niveles de C[O.sub.2] en la atmosfera. La absorcion significante de la parte infrarroja de la radiacion solar y la longevidad del C[O.sub.2] atmosferico estan causando el efecto invernadero. Los dos retos mas grandes que encara la humanidad en el siglo XXI son el incremento global de la demanda de energia y el control del nivel de emisiones de C[O.sub.2] para regular el efecto invernadero. Por lo tanto, el enfasis esta en el desarrollo de fuentes de energias alternativas por medio del desarrollo de energias renovables, asegurando proteccion y armonia con el medio ambiente.

En terminos de energia, la radiacion solar que alcanza la superficie de la Tierra es extraordinariamente grande, en el rango de los terawatts. Si se pudiera convertir y almacenar un pequeno porcentaje de esta fuente libre y abundante, las necesidades energeticas de la Tierra serian cubiertas. Debido a que la luz solar esta disponible por un tiempo limitado durante el dia, esta se tiene que convertir y almacenar para ser usada. Los dos acercamientos son la conversion fotoquimica y el almacenamiento de la energia solar: conversion directa de energia solar en electricidad, la cual puede ser usada para varias necesidades o ir directo a la generacion de altas fuentes de combustibles, tales como el hidrogeno molecular del agua. Asi, la fotosintesis artificial es una aproximacion importante, la cual surge debido al nacimiento de una ciencia llamada biomimetica (Kalyanasundaram y Graetzel, 1982; Graetzel, 1983; Collings y Critchley, 2005).

Dentro de los elementos estructurales y las caracteristicas de la reaccion de la fotosintesis artificial son usados sistemas mas simples para alcanzar resultados de fotosintesis natural. Debido a que la eficiencia en la conversion de energia solar de la fotosintesis natural es de poco porcentaje, la esperanza es hacerlas mejor con sistemas artificiales. Diferentes acercamientos estan siendo explorados por quimicos de todo el mundo y resultados destacados han sido obtenidos en algunas areas claves (Lewis, 2004; Oxtoby, 2005; Nozik y Archer, 2008).

En este documento se hara una breve exposicion acerca de los resultados obtenidos en la construccion y caracterizacion de las celdas solares sensibilizadas con colorante, mejor conocidas como tipo DSSC (del ingles, Dye Sensitized

Solar Cell); y un breve analisis del proceso electroquimico que, segun la literatura citada, imita los procesos de la fotosintesis natural realizada por las plantas verdes (Kalyanasundaram y Graetzel, 1982).

Celdas solares

Existen las celdas solares convencionales tales como las basadas en silicio, las cuales se encuentran entre las mas difundidas en la actualidad, aunque tambien son muy costosas en su proceso de fabricacion y por consiguiente en el mercado, no pudiendo asi competir con las otras fuentes de energia basadas en combustibles fosiles, que aunque contaminan mas, representan un costo mucho menor al usuario (Halme, 2002; Gessert et al., 2003). Asimismo, existen celdas solares basadas en elementos compuestos, como el telurio de cadmio o telurio de azufre (CdTe/STe) y otros tipos de celdas solares (usados fundamentalmente a escala de laboratorio), pero son en general muy costosas y por lo mismo, no se encuentran difundidas a escala comercial para aplicaciones terrestres.

Las celdas solares fotoelectroquimicas constituyen otra variante en la conversion fotovoltaica. Estas celdas basan su principio de funcionamiento en la union de un semiconductor con un electrolito. La interfaz electrolito-semiconductor es muy facil de formar (basta con ponerlos en contacto), lo que constituye una ventaja frente a otras uniones solidas y supone un abaratamiento de los costos en el diseno de celdas solares, en la que los procesos de absorcion de luz y de transferencias de electrones se realizan por separado (Oregan y Graetzel, 1991).

Al utilizar celdas fotoelectroquimicas se logro alcanzar eficiencias de 15-17% en la conversion fotovoltaica (Meissner, 1999; Lewis, 2001). Sin embargo, la aplicacion a gran escala de esta interfaz como alternativa energetica no fue posible, ya que los semiconductores idoneos para el aprovechamiento de la energia solar suelen degradarse con relativa rapidez en contacto con electrolitos. Los electrolitos no acuosos resultan mas estables, pero disminuye con ellos sensiblemente la eficiencia de las celdas. Los oxidos semiconductores resultan ser mucho mas resistentes a la corrosion pero, por presentar una banda prohibida ("gap") relativamente ancha, solo aprovechan una parte muy pequena del espectro solar (Chandra y Pandey, 1982; Mao et al., 1994).

Celdas solares con colorante

Las celdas solares nanocristalinas sensibilizadas con colorante (DSSC, dye-sensitized solar cell) son un nuevo tipo de celda fotovoltaica, donde el material que absorbe la radiacion electromagnetica, dioxido de titanio, en un colorante organico, se encuentra absorbido a otro material, por el cual se propagaran los electrones generados. En este tipo de dispositivos tiene lugar un fenomeno semejante al de la fotosintesis, puesto que en ambos procesos intervienen colorantes organicos y, tanto en uno como en otro, como ya se expreso con anterioridad, la absorcion de fotones y el transporte electrico tiene lugar en materiales diferentes y ocurren por separado (Oregan y Graetzel, 1991).

Funcionamiento de una celda DSSC

El sistema de operacion de una celda DSSC es el siguiente: en primer lugar, el colorante pasa al estado excitado (D*) cuando captura la luz visible en el rango coincidente con su banda de absorcion, cuyo maximo se centra en 535 nm tal y como se muestra en el espectro representado en la figura 1(a). En segundo lugar, el colorante inyecta electrones en la banda de conduccion del Ti[O.sub.2], quedando asi positivamente cargado (D*). Los electrones inyectados en la banda de conduccion del Dioxido de Titanio viajan por la red nanocristalina hasta encontrar el sustrato conductor por donde acceden al circuito externo. Por otro lado, el colorante vuelve a su estado original tomando electrones de los iones I- presentes en el electrolito que pasan a formar [I.sub.3]-, estos ultimos se regeneran a su vez en el contraelectrodo, reaccion catalizada por la presencia de un recubrimiento de platino en el anodo, cerrandose asi el circuito. Estas transferencias de carga se realizan gracias a las diferencias entre los niveles energeticos de los componentes de la celda, como se ha representado en el diagrama de la figura 1(b). A diferencia de las celdas solares basadas en uniones p-n de silicio, en las celdas de semiconductor con colorante, los fenomenos de absorcion y de transporte electronico tienen lugar en regiones diferentes de la celda, de ahi que se realicen por separado. Se cree que en este tipo de celdas, la separacion de cargas no se debe a la accion de un campo electrico, sino mas bien a la competicion entre las cineticas de transferencia de electrones, en un sentido y en el contrario, en las interfaces entre el oxido, el colorante y el electrolito. Mas detalles sobre el funcionamiento de la transferencia de carga en este tipo de celdas solares se pueden encontrar en la literatura respectiva (Oregan y Graetzel, 1991; Hagfeldt y Graetzel, 1995; Bisquert et al., 2004).

[FIGURA 1 OMITIR]

La celda solar sensibilizada con colorante y la fotosintesis

Se han dado discusiones acerca de las similitudes entre el mecanismo de accion de la celda solar sensibilizada con colorante o celda Graetzel y la fotosintesis en las plantas verdes. En la fotosintesis aerobica, los fotones, el dioxido de carbono y el agua se combinan para producir carbohidratos y oxigeno. En la tabla 1 se puede observar la relacion entre los componentes de una celda DSSC y la fotosintesis.

MATERIALES Y METODOS

Construccion de la celda DSSC

Este trabajo se baso en una celda fotovoltaica con colorante, como la disenada por Smestad y Graetzel (1998), misma que se construyo con base en un substrato conductor transparente de silice cubierta con una pelicula de dioxido de estano con fluor (F:Sn[O.sub.2]), sobre el cual se deposito una capa de 5 a 10 micras de grosor de nanocristales de Ti[O.sub.2] (anatasa). Sobre la superficie del semiconductor se encontraba absorbido un colorante natural a base de zarzamoras. En la literatura se han reportado tinturas organicas que contienen la molecula conocida como antocianina extraida de la pigmentacion de las frambuesas, manzanas, peras, uvas, zarzamoras, ciruelas y semillas de granada; tambien de flores, como la jamaica y rosas, y verduras, como col morada y maiz morado, y de las hojas verdes de los citricos de donde se extrae la clorofila (Xiao, 1998). Un dato interesante es que no todo lo que tiene tintura organica, como es el caso de las fresas, contiene esta molecula. La antocianina posee grupos -OH que se anclan al dioxido de titanio. En la figura 2 se puede observar este proceso.

Este electrodo se encontraba sumergido en un electrolito que, siendo liquido, pudo embeber completamente la estructura porosa de oxido, que a su vez contenia un par redox, yoduro-triyoduro (I-/[I.sub.3]-) en un solvente organico. Por ultimo, el contraelectrodo fue otro sustrato conductor cubierto por una pelicula delgada de grafito. Los distintos elementos que conformaron la celda DSSC se encuentran esquematizados en la figura 3.

En la figura 4 se muestra la fotografia de la celda solar aqui construida, en donde se puede apreciar su ensamble sencillo.

Una vez construida la celda, se procedio hacer las conexiones debidas para observar las caracteristicas fotoelectroquimicas, tales como el voltaje en circuito abierto ([V.sub.oc]), la corriente en corto circuito ([I.sub.sc]) y la potencia ([P.sub.m]).

[FIGURA 2 OMITIR]

[FIGURA 3 OMITIR]

[FIGURA 4 OMITIR]

[FIGURA 5 OMITIR]

En las figuras 5 y 6 son mostrados tanto el diagrama del circuito hecho para evaluar la celda de la celda construida y la fotografia de la misma, respectivamente.

Basado en el registro de los datos con respecto a la corriente y voltaje, se procedio a hacer las conexiones tal y como ya se mostraron en las figuras 5 y 6; entonces se incrementaron los valores de la resistencia de manera gradual por medio de un potenciometro de 500 ohms y tambien se procedio a hacer 14 mediciones cuyos resultados son mostrados en la figura 11.

RESULTADOS

Cinco celdas DSSC con dimensiones aproximadas de area activa de 1.8 x 1.5 cm de las construidas fueron conectadas en serie y se expusieron a la luz solar. A continuacion se midio el voltaje generado en ellas de manera progresiva, es decir, primero se registro la medicion de la celda 1, resultando 0.27 V, luego se conecto la celda 1 con la celda 2, resultando 0.47 V, y asi sucesivamente hasta completar las cinco celdas, con el objetivo de determinar si existia una dependencia lineal. Las figuras 7 y 8 muestran las mediciones de las celdas 1 y 2 por separado y la figura 9 expone las 2 celdas conectadas en serie y sus respectivas mediciones. La figura 10 presenta la grafica obtenida con el total de las mediciones.

[FIGURA 6 OMITIR]

La grafica de la figura 11 muestra las mediciones de voltaje y corriente (V-I) correspondientes a la celda DSSC construida y cuya fotografia es revelada en la figura 6. Se grafica la corriente en corto circuito [I.sub.sc] y voltaje en circuito abierto [V.sub.oc]. El experimento se baso en 14 mediciones reguladas con un potenciometro de 500 ohms, como ya se menciono, y la celda fue iluminada con luz artificial con base en la luz halogena, la cual reproduce condiciones de radiacion similares a la luz solar (Abalos, 2005).

La grafica de la figura 12 muestra la curva generada de las mediciones de voltaje y potencia (V-P) correspondientes a la celda DSSC construida (figura 6).

[FIGURA 7 OMITIR]

[FIGURA 8 OMITIR]

[FIGURA 9 OMITIR]

[FIGURA 10 OMITIR]

DISCUSION

Se ha hecho un estudio de una celda solar sensibilizada con colorante, con el fin de determinar si existia similitud con respecto a la forma en como las plantas y las hojas de los arboles captan la luz solar y la aprovechan para sus procesos de absorcion de luz y de transferencia de electrones; y con base en los resultados registrados en las mediciones de la celda solar construida, se pudieron determinar algunas de las caracteristicas, tales como la corriente en corto circuito, el voltaje en circuito abierto y la potencia que coinciden con la literatura citada.

Con base en los resultados obtenidos de la grafica de la figura 10, se pudo observar que existia una dependencia lineal entre el numero de celdas conectadas en serie y el voltaje, el cual, como variable dependiente, se incremento a medida de que se conectaron mas celdas.

Se han hecho investigaciones acerca del patron que existe entre las hojas y ramas de los arboles y su colecta de luz solar a medida de que las ramas entran en contacto con la luz solar, y se ha encontrado que sigue un arreglo en espiral en lugar de ser plano como el de los arreglos de las celdas solares para formar los modulos fotovoltaicos, lo cual le favorece para aprovechar los beneficios de la radiacion solar; ademas, un dato interesante que vale la pena informar es acerca de que las hojas y ramas estan arregladas siguiendo la secuencia de Fibonnaci, la cual presenta una relacion lineal de recurrencia (Outtasight, 2011).

[FIGURA 11 OMITIR]

[FIGURA 12 OMITIR]

Con base en los resultados obtenidos en la figura 11, se puede concluir que las mediciones hechas muestran una tendencia a la curva V-I. Asimismo, se muestra la curva que corresponde con los experimentos realizados con antocianina a base de zarzamoras en los trabajos de Zweibel (1990, 1993).

En la figura 12 se puede observar que sigue una tendencia a presentar una curva, como la mostrada por Andujar et al. (2004).

CONCLUSIONES

Se ha presentado un estudio acerca de las celdas solares tipo DSSC y su relacion con la fotosintesis natural exhibida en las plantas verdes. Con base en los resultados obtenidos en la construccion de la celda solar y las respuestas generadas en sus propiedades fotoelectroquimicas, se puede concluir que las celdas solares tipo DSSC:

a) Imitan a la fotosintesis natural de las plantas verdes en cuanto a su proceso de absorcion de la luz y transferencia de electrones en donde ambos procesos se realizan por separado.

b) Presentan una similitud en cuanto a una relacion de repetividad en el arreglo de celdas solares al incrementarse la captacion de energia solar y su conversion fotoelectroquimica.

Cabe senalar que aun no existen estudios lo suficientemente profundos y sustentados acerca de lo mencionado de estas celdas y como sus procesos electroquimicos imitan la fotosintesis natural. No obstante, el interes se ha ido incrementando con los anos, y por los avances vistos en la biomimetica, se puede decir que en un futuro no muy lejano, se confirme lo que los estudios recientes parecen indicar acerca de lo expuesto en el presente trabajo.

LITERATURA CITADA

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Dictiotopografia

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Pablo Cesar Carbo Vela, (1) Enrique Rocha Rangel (2)

Carbo Vela, P. C.; Rocha Rangel, E., Proceso electroquimico en celdas solares sensibilizadas con un colorante natural, Investigacion y Ciencia de la Universidad Autonoma de Aguascalientes. 56, pp. 3-10, 2012.

Recibido: 7 de Agosto de 2012, aceptado: 22 de Octubre de 2012

(1) Departamento de Investigacion y Posgrado, Universidad Politecnica de Victoria, pcarbov@upv.edu.mx.

(2) Departamento de Investigacion y Posgrado, Universidad Politecnica de Victoria, erochar@upv.edu.mx.
Tabla 1. Relacion entre los componentes de una celda DSSC y la
fotosintesis

     Subsistema             Celda Solar DSSC           Fotosintesis

Aceptor de electrones   NanoparticulasTi[O.sub.2]   Dioxido de Carbono
Donante de electrones     Electrolito Triyoduro            Agua
Absorbedor de fotones       Colorante natural           Clorofila
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Author:Carbo Vela, Pablo Cesar; Rocha Rangel, Enrique
Publication:Investigacion y Ciencia
Date:Sep 1, 2012
Words:3433
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