Ciencia y salud

Por José Antonio Lozano Teruel

Las células solares de Gratzel

Las células solares de Gratzel

Michael Gratzel acaba de ser galardonado con uno de los premios del año 2009 de la Fundación Internacional Eugenio Balzan, fundada por Angela Lina Balzan para honrar la memoria de su padre Eugenio Francesco Balzan (1874-1950), periodista del periódico Corriere della Sera, después editor en jefe y posteriormente el dueño principal de la editora. Su postura antifascista le hizo emigrar a Suiza durante la época de Mussolini y allí alcanzó una considerable fortuna que sirvió para financiar la Fundación

GRÄTZEL
Michael Grätzel, nacido en 1944, en Dorfchemnitz (Alemania), es un prestigioso químico, profesor de la Ecole Polytechnique de Lausanne. Entre sus galardones recibidos figuran el Grand Prix Européen de l’innovation 2000, la  Faraday Medal 2001, el premio Havinga 2001, el premio  IBC 2002 en Supramolecular Science and Technology, el premio Italgas 2003, el premio Gerischer 2005, el de la Japan Society of Coordination Chemistry de 2007, el  Harvey 2008 y la  Galvani Medal de 2009. Sus trabajos científicos cuentan con más de 50.000 citas.

¿Y todo ello por qué?. Por su descubrimiento, en 1991, de las celdas de Grätzel, también conocidas como células solares sensibilizadas por colorantes (DSC: Dye solar cells), o celdas electroquímicas de color. Consideradas como una aplicación de la Biónica su función es idéntica a la de cualquier célula fotovoltaica: producir electricidad merced a la energía luminosa que reciben.. Entonces, ¿cuál es su interés? ¿Por qué la expectación existente respecto a ellas?.

Básicamente porque las células pueden ser construidas sin demasiadas dificultades y con bajos costos. Dos electrodos (electrodo simple y electrodo compuesto) son su corazón. Una sustancia coloreada interactúa con la luz y genera los electrones. El electrodo simple es un vidrio eléctricamente conductor, mientras que el electrodo compuesto (a base de nanocristales de dióxido de titanio) también se sitúa sobre otro vidrio conductor, con una distancia mínima entre los electrodos (20 - 40 µm), que poseen una delgada superficie interna (0,5  µm) eléctricamente conductora.

¿Cómo funciona el sistema?. Los fotones de la luz solar alcanzan la sustancia coloreada que impregna al electrodo compuesto, excitándola energéticamente, haciéndo saltar un electrón. Este electrón pasa desde el electrodo compuesto al simple y, desde éste, nuevamente a la sustancia coloreada, restituyendo su estado inicial. Por tanto, el sistema produce un movimiento cíclico electrónico, es decir, una corriente eléctrica, reproduciendo de cierto modo el proceso natural de la fotosíntesis, basado en la absorción de luz por parte de un colorante orgánico -como es la clorofila de las plantas-, y su acoplamiento con distintos procesos de transferencia electrónica.

CONSOLIDER
Según el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) de los Estados Unidos, cubriendo sólo un seis por ciento de la superficie del desierto del Sahara con paneles fotovoltaicos ya disponibles, se puede autoabastecer energéticamente a toda la población mundial. En España, el proyecto Consolider HOPE (Dispositivos Optoelectrónicos y Fotovoltaicos Híbridos Para Energía Renovable), se financia por el Ministerio de Educación y Ciencia con cuatro millones de euros para el periodo 2007-2012 y reúne químicos y físicos de 12 Universidades y centros de investigación. El proyecto HOPE tiene como fin estudiar varios tipos de dispositivos de nueva generación, tales como los diodos orgánicos luminescentes (dispositivos que a partir de electricidad emiten luz) y las células solares Grätzel o DSC. A este último tema se dedica un equipo de la Universidad andaluza Pablo Olavide (UPO) de Sevilla, dirigido por el profesor Juan Antonio Anta. En el marco del proyecto se estudian nuevos tipos de células solares basadas en nanomateriales y compuestos orgánicos con el objetivo de disminuir el coste de los dispositivos fotovoltaicos comercializados en la actualidad. El record de eficiencia de una célula de Grätzel es actualmente del 11%, y es posible fabricarlas en serie con una eficiencia del 6%.

Uno de los retos tecnológicos existentes es el problema de la degradación de las celdas. Según el prof. Anta "Si usas un colorante orgánico, éste puede degradarse por la acción de la luz solar, disminuyendo su periodo de vida con respecto a las celdas de silicio”. Por ello, los investigadores de la UPO intentan mejorar la eficiencia de estos componentes orgánicos (basados en eosina o mercurocromo) con la introducción de sales iónicas (también conocidas como disolventes verdes), a fin de prevenir la evaporación de los compuestos líquidos y su correspondiente pérdida de eficacia. Según la investigadora Elena Guillén, "pese a su estado líquido, este tipo de disolventes presenta una viscosidad alta, por lo que en los próximos meses vamos a seguir con el estudio trabajando en distintas alternativas dentro de los líquidos iónicos, su síntesis, etc."

ESPERANZAS
Las DSC, calificadas como células fotovoltaicas de tercera generación poseen varias ventajas potenciales para generar electricidad a escala moderada, sobre todo en áreas en desarrollo. No tienen limitaciones de materia prima, al basarse en materiales de bajo coste: Los semiconductores inorgánicos son de dióxido de titanio o de óxido de zinc. El dióxido de titanio (más barato que el silicio) es un fotocatalizador muy eficaz, utilizado de forma habitual como absorbente de rayos ultravioleta, y presente en productos para el bronceado, jabones, polvos cosméticos, cremas, pasta de dientes, papel de cigarro y en la industria cosmética. El óxido de zinc es también muy usado en la industria, odontología y en diversas aplicaciones cosméticas. En cuanto a los colorantes pueden ser sintéticos de bajo costo, como la eosina o el mercurocromo, o naturales como los extraídos de plantas (clorofilas, antocianinas de granadas, carotenos, etcétera).

Otra posibilidad interesante de las DSC es la de permitir la construcción de paneles flexibles, portátiles, coloreados, multiformas, semitransparentes y decorativoas. Por ahora, se han comercializado algunas, aunque su uso práctico es aún pequeño. Pero prima el optimismo: la compañía Konarka de California ha sido basada en el concepto pionero de las DSC;  la empresa G24i, de Gales ha anunciado la producción de 30 MKW de electricidad mediante DSC. Según proyecciones del sector las DSC podrían suponer al menos un tercio del mercado de 250,000 millones de dólares en el año 2030. Entre sus ventajas no es la menor el de que el costo de su amortización equivale a un solo año de uso. 

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