Celdas solares orgánicas como una alternativa energética
Celdas solares orgánicas como una alternativa energética.
Publicación: 21 Noviembre 2024
Dra. Ivana Moggio, Dr. Eduardo Arias
Dra. Geraldina Rodríguez, Dra. Raquel Ledezma
Dr. Celín Lozano Pérez, Dr. Gleb Turlakov
Departamento de Materiales Avanzados, Centro de Investigación
en Química Aplicada.
La demanda energética mundial está en continuo incremento, desde la iluminación de ciudades, casas, electrodomésticos, hasta el uso industrial y sin mencionar la calefacción y el aire acondicionado que año con año se hacen más prescindibles por el cambio climático. Afortunadamente, hay gobiernos y científicos que visualizan una transición energética hacía fuentes de energía renovables. El aprovechamiento de la energía solar a través de celdas solares, también conocidos como dispositivos fotovoltaicos, es una de las posibles estrategias para hacer frente a este compromiso, y de particular interés para México tomando en cuenta los altos niveles de radiación que se tiene durante casi todo el año. De hecho, México es de los principales impulsores en este tipo de tecnología a nivel de Latinoamérica, con un aumento en la participación de la generación eléctrica fotovoltaica de 3% en 2010, hasta un 32.8% en el primer semestre 2023. Sin embargo, es en China donde se está fabricando una gran cantidad de paneles solares a base de silicio para satisfacer su demanda interna, aunque su principal objetivo es la venta de paneles a nivel mundial. La tecnología del silicio monocristalino permite lograr altas eficiencias energéticas de ~25% pero es cara porque involucra procesos de extracción, purificación, dopado y su construcción requiere de salas blancas, alto vacío, el uso de ácidos y la generación de muchos residuos contaminantes que finalmente no respetan el concepto de energía limpia. Por otra parte, las celdas fotovoltaicas orgánicas son más baratas de hacer, menos contaminantes y de acuerdo a reportes recientes, irónicamente de científicos chinos, ahora compiten con las del silicio en cuanto a eficiencia < 20% y las de Perovskitas < 28% y con generación de voltaje y corriente muy altos.
Las celdas solares orgánicas utilizan semiconductores orgánicos π-conjugados, es decir cuya estructura química alterna arilos con enlaces dobles, triples o sencillos permitiendo el movimiento de los electrones en el material para generar electricidad a partir de la absorción de la luz solar. Estos materiales presentan una alta capacidad de absorción de luz por lo que este efecto es notorio aún con espesores muy delgados de ~100 nanometros. Aunque existen diferentes arquitecturas, la configuración básica de heterounión en masa consta de un substrato transparente, flexible o rígido, sobre el cual se encuentra una capa delgada de óxido de indio estaño (ITO) que funciona como electrodo positivo o ánodo, de una capa transportadora de huecos (HTL), la capa activa que generalmente consta de una mezcla de un polímero conjugado electrón donador y un material electrón aceptor (típicamente derivados de fulereno como el PC61BM), una capa transportadora de electrones (ETL), y el electrodo negativo (cátodo) que es un metal reflejante como el Al, Mg, Ca, Ag o aleaciones metálicas como el metal de Field.
Figura 1.-Arquitectura típica de una celda solar orgánica a base de un polímero
-conjugado y el fulereno PC61BM
Ahora bien, se pensaba que la estabilidad de las celdas solares orgánicas (CSO) ante la radiación UV y gamma sería muy baja y éstas se degradarían en un lapso de tiempo muy corto. Sin embargo, estudios de operación bajo condiciones de irradiación han demostrado lo opuesto. Por ejemplo, el Centro Skoltech de Ciencia y Tecnología Energética de Moscú, y el Departamento de Química de la Universidad Estatal de Michigan han monitoreado celdas a base de polímeros conjugados portadores de carbazoles y un derivado del fulereno bajo exposiciones gama. Sorprendentemente, resultó que estas celdas son estables a irradiación mayor a los 6,000 Gy, lo cual puede permitir su operación en el espacio durante 10 años; no así las de Perovskita que tienden a degradarse rápido, por lo que ha resurgido el interés en implementar la tecnología de CSO en aplicaciones espaciales. A este respecto, la Fuerza Espacial de los Estados Unidos es una de las agencias que tienen interés en materiales con propiedades de óptica no lineal y en particular con propiedades de trasferencia de carga para su implementación en CSO. Lo anterior debido a que las celdas orgánicas son muy ligeras, su flexibilidad permite moldearlas para adoptar cualquier geometría, son fáciles de construir y la relación de energía que se obtiene por gramo de material 10-20 W/g es muy grande; y ahora por su estabilidad a la radiación gamma.
Figura 2.- Transferencia de carga en macromoléculas -conjugadas para celdas solares con aplicaciones
aeroespaciales.
Desde hace 15 años el grupo de Química Supramolecular y Optoelectrónica del CIQA, ha obtenido financiamiento continúo >15 millones de pesos, desarrollando materiales para la optoelectrónica con aplicación en guías de onda y filtros ópticos de interés para la Fuerza Aérea de USA. Dada esta trayectoria, recientemente, aprobaron un proyecto (5 millones de pesos), de la agencia de la Fuerza Espacial de los Estados Unidos, donde se tiene interés en el desarrollo de macromoléculas para celdas solares para el espacio. En el grupo de investigación hemos obtenido un máximo de eficiencia en celdas orgánicas del orden de 8% y del 16 % en las de Perovskita; no obstante, las celdas son construidas bajo condiciones atmosféricas y las eficiencias aumentan con un factor de 1.8 veces cuando se construyen en condiciones más controladas. Continuamente estamos realizando diseño de macromoléculas variando aspectos de movilidad de carga intramolecular, haciendo química teórica mediante cálculos computacionales, fotofísica, electroquímica, estudio del ensamblaje y orden molecular en nanopelículas y construyendo los prototipos. Estudiantes de los tres grados participan en el desarrollo de estas actividades como parte de sus tesis, mientras que la optimización de los dispositivos la llevan a cabo investigadores en estancia posdoctoral y asistentes de investigadores. El fundamento que adquieren los estudiantes, no es de obtener dispositivos con alta eficiencia, sino entender todo el proceso que involucra una celda, de forma que el día de mañana tengan el conocimiento para resolver problemas de la tecnología ya en el mercado. Son muchos los parámetros con los que se tienen que jugar en el desarrollo de una celda, si bien hay dispositivos que dan baja eficiencia, éstos pueden estar generando un voltaje y/o corriente alto, entonces hay que correlacionar estructura química-propiedades optoelectrónicas- aspectos morfológicos de las nanopelículas de las celdas, etc. Es decir, generar conocimiento, lo que nos permite estar rediseñando nuevos materiales y llevar a cabo ciencia de frontera. Además, en los últimos años, hemos tenido proyectos bilaterales con la Universidad de Génova y el Instituto Giulio Natta de Milán, Italia para abordar otros aspectos de importancia para el escalamiento de las CSO: el desarrollo de electrodos y de materiales para la capa activa, que sean procesables a partir de soluciones acuosas para dar lugar a dispositivos totalmente compatibles con el medio ambiente.
Bibliografía