Células fotovoltaicas de colorantes o tipo Grätzel

Normalmente, las células fotovoltaicas para obtención de energía eléctrica a partir de la solar se suelen clasificar en grandes categorías como las de silicio, las de película delgada o las orgánicas, dentro de las cuales cabría incluir a las llamadas células sensibilizadas con colorantes, también conocidas como Grätzel porque fueron desarrolladas por el químico suizo Michael Grätzel en la década de 1990.

A veces se mencionan como una categoría separada de las orgánicas debido a su diseño único y principio de funcionamiento especial basado en un colorante fotosensible para absorber la luz solar y generar electricidad. También tienen algunas diferencias en términos de eficiencia y estabilidad en comparación con las células solares orgánicas convencionales. Pero las células solares Grätzel comparten algunas características y ventajas con las células solares orgánicas, como la flexibilidad y la capacidad de fabricarse en grandes áreas.

Se basan en un diseño innovador que utiliza un electrolito líquido y un semiconductor fotosensible para convertir la luz solar en electricidad. A diferencia de las células solares convencionales de silicio, que utilizan uniones p-n y capas semiconductoras, las células solares tipo Grätzel emplean una estructura de capa porosa de óxido de titanio (TiO₂) cubierta con un pigmento fotosensible, generalmente un colorante orgánico.

El proceso de funcionamiento de una célula solar tipo Grätzel es el siguiente:

1. La capa de óxido de titanio (TiO₂) poroso se sumerge en un electrolito líquido, que generalmente es una disolución que contiene especies de yodo (I^– y I₃^–).
2. Cuando la luz solar incide sobre la célula solar, los colorantes fotosensibles absorben los fotones y liberan electrones.
3. Los electrones liberados por los colorantes son recogidos por la capa de óxido de titanio y transportados a través de ella.
4. El electrolito líquido que está en contacto con la capa de óxido de titanio se encarga de regenerar los colorantes, aceptando los electrones y completando el circuito eléctrico.
5. La corriente eléctrica generada por la célula solar se puede utilizar para alimentar dispositivos electrónicos o almacenarse en una batería.

Las células solares tipo Grätzel presentan algunas ventajas sobre las células solares convencionales, como su fabricación relativamente económica y su capacidad para generar electricidad incluso en condiciones de luz difusa o con ángulos de incidencia amplios. Sin embargo, también tienen algunas limitaciones, como una menor eficiencia de conversión de la luz solar en electricidad en comparación con las células solares de silicio.

A pesar de sus limitaciones, las células solares tipo Grätzel continúan siendo objeto de investigación y desarrollo, ya que ofrecen potencial para aplicaciones en dispositivos electrónicos de bajo costo y en aplicaciones integradas en materiales flexibles y transparentes.

A partir de esta idea se han desarrollado aplicaciones especiales. Por ejemplo, hace unos años un equipo de científicos de la Escuela Politécnica Federal de Lausana propuso un procedimiento relativamente sencillo y muy barato que permite emplear energía solar para obtener hidrógeno. Básicamente solo se necesita agua, un colorante, dióxido de titanio y óxido de hierro, pero un óxido de hierro que no es simple “herrumbre”, sino un material nanoestructurado que contiene también óxido de silicio y está recubierto de una nanocapa de óxidos de aluminio y cobalto, tratamientos que optimizan las propiedades electroquímicas del material.

Tipos de células fotovoltaicas

Existen diferentes clasificaciones de tipos de células solares que se basan principalmente en los materiales utilizados en su construcción y en los mecanismos de conversión de energía solar en electricidad. Una puede ser esta:

Células solares de silicio

1. Células solares de silicio monocristalino. Se fabrican a partir de un solo cristal de silicio, lo que les confiere una alta eficiencia
2. Células solares de silicio policristalino. Se construyen a partir de múltiples cristales de silicio, lo que las hace más económicas pero con una eficiencia ligeramente inferior a las de silicio monocristalino.
3. Células solares de silicio amorfo. Se fabrican depositando una fina capa de silicio sobre un sustrato, lo que las hace flexibles y adecuadas para aplicaciones en materiales delgados y flexibles.

Células solares de película delgada

1. Células solares de telururo de cadmio. Utilizan una capa delgada de CdTe como semiconductor fotosensible.
2. Células solares de sulfuro de cobre, indio y galio. Basadas una combinación de sulfuro de cobre, indio y galio como semiconductor.
3. Células solares de arseniuro de galio. Se fabrican con GaAs, que es un material semiconductor de alta eficiencia pero más costoso.

Células solares orgánicas. Emplean materiales orgánicos como polímeros o moléculas orgánicas para la absorción de la luz y la generación de corriente eléctrica. Son flexibles y se pueden fabricar en grandes áreas, pero tienen una eficiencia actualmente más baja en comparación con la de otras tecnologías.

Células solares sensibilizadas por colorantes o tipo Grätzel, ya comentadas antes. Utilizan un colorante fotosensible y un electrolito líquido para generar electricidad.

Otros tipos. Aquí podríamos englobar las células solares de perovskita, las células solares de múltiples uniones y las células solares de puntos cuánticos.