Más allá de las células fotovoltaicas: las células de Grätzel

Una de las líneas de investigación a largo plazo más prometedoras en las que se está investigando hoy en día en lo que respecta a la energía solar son las células de Grätzel, también conocidas como células de tercera generación, células orgánicas, o más técnicamente como célula solar sensibilizada por colorante. Coloquialmente también se las conocen como células de fotosíntesis artificial.

La célula de Grätzel utiliza un principio de funcionamiento que no es estrictamente el fotovoltaico y reproduce en cierta manera el proceso de la fotosíntesis. Se trata de una célula hibrida, es decir, compuesta de dos materiales. En este caso un substrato semiconductor con una estructura determinada y dimensiones nanométricas, que en principio sería incapaz de realizar el proceso fotovoltaico, y por otro lado de un colorante orgánico, como por ejemplo la clorofila, que realiza la misión de absorción de la luz. Veamos en detalle la misión de las dos partes de la célula

Principio
El captador solar, es el elemento superior y el que recibirá el contacto con la luz solar, también llamado simplemente colorante. Es el elemento orgánico de la célula. Se estudian diversos colorantes orgánicos tanto naturales (clorofila), como sintéticos. Entre los sintéticos están derivados del ruteno, elementos orgánicos puros o derivados de substancias fosforescentes como los xantenos. En todo caso es imprescindible que el colorante orgánico tenga un coeficiente de absorción fotónico muy elevado y, por supuesto, que tengan una elevada compatibilidad con el semiconductor empleado. Otro factor importante es la estabilidad del compuesto ya que muchos compuestos orgánicos no son muy estables.
Uno de los electrodos de la célula está impregnado en el tinte, que es un líquido formando lo que llamamos una banda de conducción. Cuando el colorante absorbe la luz, los electrones de este se excitan, con lo que una cantidad de estos saltarán desde el tinte hasta el substrato semiconductor, que forma la otra banda de conducción, de tal manera que se genera una diferencia de potencial entre ambos electrodos. El semiconductor que se está utilizando muy principalmente para este tipo de células es el dióxido de titanio.
Esto es una explicación simplificada, ya que el proceso es algo más complejo.

Ventajas
Dos verdaderamente importantes. El coste, una vez desarrollada la tecnología , se estima en muy bajo, en parte debido a la segunda ventaja. Los componentes que forman la célula están disponibles en abundancia en la naturaleza. El dióxido de titanio se usa habitualmente en las pinturas, tanto de uso doméstico, como industrial, y las moléculas orgánicas con las que se realiza las investigaciones actualmente (incluída la clorofila), son abundantes en la naturaleza.
La célula es fácilmente encapsulable en formato flexible y puede tomar distintas coloraciones, con lo cual son evidentes sus aplicaciones en plantas solares integradas arquitectónicamente.

Inconvenientes
En el estadio actual de las investigaciones hay numerosos inconvenientes en los que se avanza de manera importante año tras año. Algunos de ellos son la estabilidad del compuesto orgánico. Algunos compuestos orgánicos se degradan con una cierta facilidad inactivando a la célula. Otro inconveniente es la baja eficiencia a pesar que se está avanzando mucho en este tema llegando en la actualidad a eficiencias del 10%.

Investigación en España
En España se realiza el desarrollo de estas células en diversos centros, siendo las líneas de investigación más destacadas las de las universidades públicas Pablo de Olavide, Sevilla y la Jaume I, Castellón.
La mayoría de las investigaciones se realizan dentro del proyecto HOPE (Hybrid Optoelectronic and Photovoltaic Devices for Renewable Energy) que cuenta con la financiación de la Unión Europea y del Ministerio de Ciencia e Innovación que aporta 4 millones de € adicionales a los de la UE.

También recomiendo la visita del Blog del proyecto Consolider HOPE que he añadido a los links de esta página.