67425161006

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Carb Vela, Pablo Csar; Rocha Rangel, EnriqueProceso electroqumico en celdas solares sensibilizadas con un colorante naturalInvestigacin y Ciencia, vol. 20, nm. 56, septiembre-diciembre, 2012, pp. 3-10

Universidad Autnoma de AguascalientesAguascalientes, Mxico

Cmo citar? Nmero completo Ms informacin del artculo Pgina de la revista

Investigacin y Ciencia,ISSN (Versin impresa): [email protected] Autnoma de AguascalientesMxico

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3 Nmero56,(3-10)Septiembre-Diciembre2012

RESUMEN

Para aprender de la naturaleza en lo que respec-taaunodelosfenmenosmsantiguosquehanocurridoen la fazde laTierra,como loes la fo-tosntesis,esqueinvestigadoreshandesarrolladomodelos que imitan los procesos de absorcin de luz solar realizada por las plantas verdes. En este trabajo sedescribe laconstruccindeunacel-da solarcuyo funcionamiento tratade imitar lamanera de captar la energa solar tal y como lo hacenlasplantas.Deacuerdoconlosresultadosobtenidos en la construccin de la celda solar y las respuestas elctricas generadas en las medi-cionesde suspropiedades fotoelectroqumicas,sepuedeconcluirqueestasceldasimitanalafo-tosntesis natural de las plantas verdes en cuanto asuprocesodeabsorcindelaluzytransferen-cia de electrones en donde ambos procesos se realizan por separado. Por otro lado, presentan similitud en cuanto a una dependencia lineal en el arreglo de celdas solares al incrementarse la captacin de energa solar y su conversin fo-toelectroqumica.

ABSTRACT

In order to learnaboutoneof themostancientphenomenathathashappenedoverthefaceoftheearth,suchasthephotosynthesis,isthatseve-ralresearchershavedevelopedmodelsthatimita-tethelightsunabsorptionprocessthroughgreenplants.Inthisarticletheconstructionofasolarcell,ofwhichitsfunctiontriestoimitatehowtocapturesolar energy as plants do, is described. According to the resultsobtained in theconstructionof thesolarcell,andtheelectricalresponsesgeneratedin the measurements of photo-electrochemicalproperties,onecanconcludethatthesecellsimi-tatenaturalphotosynthesisofgreenplantsintheirprocessofabsorptionoflightandelectrontransferwherebothprocessesareperformedseparately.Ontheotherhand,theyshowsimilarities intermsofalinearrelationshipinthearrayofsolarcellswithincreaseduptakeofsolarandconversionphoto-electrochemical. INTRODUCCIN

Unasorprendentemaquinariaperfeccionadaporlanaturalezaalolargodelossigloseslafotosntesisnatural, que es el proceso por medio del cual las plantas, algunas bacterias y las algas usan la luz solarcomofuentedeenerga,elCO2 de la atms-ferayelaguacomoqumicosparallevaracabodos reacciones importantes para la supervivencia yelcrecimientodelahumanidad:ladescompo-sicindelaguaenoxgenomolecular,acompa-adopor la reduccindeCO2encarbohidratosy otros productos ricos en carbn (Blankenship,2002;Gernot,2008;BuchneryEwingen, 2009).

1 Departamento de Investigacin y Posgrado, Universidad Poli-tcnica de Victoria, [email protected].

2 Departamento de Investigacin y Posgrado, Universidad Poli-tcnica de Victoria, [email protected].

Palabrasclave: imitar,celdasolar,colorante, fotosntesis,plantas, energa.Key words: imitate, solarcell,dye,photosynthesis,plants,energy.

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

Procesoelectroqumicoenceldassolaressensibilizadasconuncolorantenatural

Electrochemical process in solar cells sensibilized with a natural dye

PabloCsarCarbVela,1EnriqueRochaRangel2

CarbVela,P.C.;RochaRangel,E.,Procesoelectroqumicoenceldassolaressensibilizadasconuncolorantenatural,

Investigacin y Ciencia de la Universidad Autnoma de Aguascalientes.56,pp.3-10,2012.


Laextensaquemadecombustibles fsiles ylagrancontaminacindelaindustrializacinhanalteradoelbalancenaturaldenivelesdeCO2 en laatmsfera.Laabsorcinsignificantedelapar-teinfrarrojadelaradiacinsolarylalongevidaddelCO2 atmosfricoestncausandoelefectoin-vernadero. Los dos retos ms grandes que enca-ralahumanidadenelsigloXXIsonelincrementoglobal de la demanda de energa y el control del niveldeemisionesdeCO2para regularelefec-to invernadero. Por lo tanto, el nfasis est eneldesarrollodefuentesdeenergasalternativaspor medio del desarrollo de energas renovables, asegurando proteccin y armona con el medio ambiente.

En trminos de energa, la radiacin solar que alcanza lasuperficiede laTierraesextraordina-riamente grande, en el rango de los terawatts.Si se pudiera convertir y almacenar un pequeo porcentajedeestafuentelibreyabundante,lasnecesidades energticas de la Tierra seran cu-biertas. Debido a que la luz solar est disponible por un tiempo limitado durante el da, sta se tie-ne que convertir y almacenar para ser usada. Los dosacercamientos son laconversin fotoqumi-cayelalmacenamientodelaenergasolar:con-versin directa de energa solar en electricidad, la cual puede ser usada para varias necesidades o irdirectoa lageneracindealtas fuentesdecombustibles, tales comoel hidrgenomolecu-lar del agua. As, la fotosntesis artificial es unaaproximacin importante, la cual surge debidoal nacimiento de una ciencia llamada biomimti-ca(KalyanasundaramyGraetzel,1982;Graetzel,1983;CollingsyCritchley,2005).

Dentro de los elementos estructurales y las caractersticas de la reaccin de la fotosntesisartificialsonusadossistemasmssimplesparaal-canzarresultadosdefotosntesisnatural.Debidoaque laeficienciaen laconversindeenergasolardelafotosntesisnaturalesde poco porcen-taje,laesperanzaeshacerlasmejorconsistemasartificiales.Diferentesacercamientos estn sien-do explorados por qumicos de todo elmundoy resultados destacados han sido obtenidos enalgunasreasclaves(Lewis,2004;Oxtoby,2005;NozikyArcher,2008).

En este documento se har una breve ex-posicin acerca de los resultados obtenidos en la construccin y caracterizacin de las celdas solaressensibilizadasconcolorante,mejorcono-cidas como tipo DSSC (del ingls, Dye Sensitized

Solar Cell); y un breve anlisis del proceso electro-qumico que, segn la literatura citada, imita los procesosde la fotosntesis natural realizadaporlas plantas verdes (Kalyanasundaram y Graetzel, 1982).

CeldassolaresExisten las celdas solares convencionales talescomo las basadas en silicio, las cuales se encuen-tran entre lasms difundidas en la actualidad,aunque tambin son muy costosas en su proceso defabricacinyporconsiguienteenelmercado,nopudiendoas competir con las otras fuentesdeenergabasadasencombustiblesfsiles,queaunque contaminan ms, representan un costo muchomenoralusuario(Halme,2002;Gessertet al.,2003).Asimismo,existenceldassolaresbasa-das en elementos compuestos, como el telurio decadmiooteluriodeazufre(CdTe/STe)yotrostiposdeceldassolares(usadosfundamentalmen-te a escala de laboratorio), pero son en general muy costosas y por lo mismo, no se encuentran difundidas a escala comercial para aplicaciones terrestres.

Lasceldassolaresfotoelectroqumicascons-tituyenotravarianteenlaconversinfotovoltai-ca.Estasceldasbasansuprincipiodefunciona-miento en la unin de un semiconductor con un electrolito.Lainterfazelectrolito-semiconductoresmuyfcilde formar(bastaconponerlosencontacto), loqueconstituyeunaventaja fren-te a otras uniones slidas y supone un abarata-miento de los costos en el diseo de celdas so-lares, en la que los procesos de absorcin de luz ydetransferenciasdeelectronesserealizanporseparado(OreganyGraetzel,1991).

Al utilizar celdas fotoelectroqumicas se lo-gralcanzareficienciasde15-17%enlaconver-sinfotovoltaica(Meissner,1999;Lewis,2001).Sinembargo, la aplicacin a gran escala de esta interfazcomoalternativaenergticanofuepo-sible, ya que los semiconductores idneos para elaprovechamientode laenergasolarsuelendegradarse con relativa rapidez en contacto con electrolitos. Los electrolitos no acuosos re-sultan ms estables, pero disminuye con ellos sensiblemente la eficiencia de las celdas. Losxidossemiconductoresresultansermuchomsresistentes a la corrosin pero, por presentar una bandaprohibida(gap)relativamenteancha,sloaprovechanunapartemuypequeadelespectrosolar(ChandrayPandey,1982;Maoet al.,1994).


CeldassolaresconcoloranteLas celdas solares nanocristalinas sensibilizadas con colorante (DSSC, dye-sensitized solar cell) sonunnuevotipodeceldafotovoltaica,dondeel material que absorbe la radiacin electromag-ntica,dixidodetitanio,enuncoloranteorg-nico, se encuentra absorbido a otro material, por el cual se propagarn los electrones generados. Eneste tipodedispositivos tiene lugar un fen-menosemejantealdelafotosntesis,puestoqueen ambos procesos intervienen colorantes org-nicos y, tanto en uno como en otro, como ya se expresconanterioridad, laabsorcinde foto-nes y el transporte elctrico tiene lugar en mate-rialesdiferentesyocurrenporseparado(OreganyGraetzel,1991).

FuncionamientodeunaceldaDSSCEl sistema de operacin de una celda DSSC es el siguiente:enprimerlugar,elcolorantepasaales-tadoexcitado(D*)cuandocapturalaluzvisibleenel rango coincidente con su banda de absorcin, cuyomximosecentraen535nmtalycomosemuestraenelespectrorepresentadoenlafigura1(a).Ensegundolugar,elcoloranteinyectaelec-tronesenlabandadeconduccindelTiO2, que-dandoaspositivamentecargado(D*).Loselec-trones inyectados en la banda de conduccin del DixidodeTitanioviajanporlarednanocristalinahasta encontrar el sustrato conductor por don-deaccedenalcircuitoexterno.Porotro lado,elcolorante vuelve a su estado original tomando electronesde los iones I-presentesenelelectro-litoquepasanaformar I3-,estosltimosse rege-neran a su vez en el contraelectrodo, reaccin

catalizada por la presencia de un recubrimiento de platino en el nodo, cerrndose as el circuito. Estastransferenciasdecargaserealizangraciasalasdiferenciasentrelosnivelesenergticosdeloscomponentesdelacelda,comoseharepresen-tadoeneldiagramadelafigura1(b).Adiferenciade lasceldassolaresbasadasenunionesp-ndesilicio, en las celdas de semiconductor con colo-rante,losfenmenosdeabsorcinydetranspor-teelectrnicotienenlugarenregionesdiferentesdelacelda,deahqueserealicenporseparado.Se cree que en este tipo de celdas, la separacin de cargas no se debe a la accin de un campo elctrico, sino ms bien a la competicin entre las cinticas de transferencia de electrones, en unsentido y en el contrario, en las interfaces entreelxido,elcoloranteyelelectrolito.Msdetallessobre el funcionamiento de la transferencia decarga en este tipo de celdas solares se pueden encontrar en la literatura respectiva (Oregan yGraetzel,1991;HagfeldtyGraetzel,1995;Bisquertet al., 2004).

LaceldasolarsensibilizadaconcoloranteylafotosntesisSehandadodiscusionesacercadelassimilitudesentre el mecanismo de accin de la celda solar sensibilizada con colorante o celda Graetzel y la fotosntesisenlasplantasverdes.Enlafotosntesisaerbica,losfotones,eldixidodecarbonoyelaguasecombinanparaproducircarbohidratosyoxgeno.Enlatabla1sepuedeobservarlarela-cin entre los componentes de una celda DSSC ylafotosntesis.

Figura1. (a) Espectro de absorcin del colorante de rutenio polipiridilo N-535. (b) Diagrama de los niveles de energas de los distintos componentes de una DSSC tpica (Hagfeldt y Graetzel, 1995).

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MATERIALESYMTODOS

ConstruccindelaceldaDSSCEste trabajo se bas en una celda fotovoltaicacon colorante, como la diseada por Smestad y Graetzel(1998),mismaqueseconstruyconbaseen un substrato conductor transparente de slice cubiertaconunapelculadedixidodeestaoconflor (F:SnO2), sobre el cual se deposit una capade5a10micrasdegrosordenanocrista-lesdeTiO2(anatasa).Sobrelasuperficiedelsemi-conductor se encontraba absorbido un colorante natural a base de zarzamoras. En la literatura se han reportado tinturasorgnicasquecontienenla molcula conocida como antocianina extra-dadelapigmentacindelasframbuesas,man-zanas, peras, uvas, zarzamoras, ciruelas y semillas degranada; tambin de flores, como la jamai-ca y rosas, y verduras, como col morada y maz morado,yde lashojasverdesde losctricosdedondeseextraelaclorofila(Xiao,1998).Undatointeresante es que no todo lo que tiene tintura or-gnica,comoeselcasode las fresas,contieneestamolcula.Laantocianinaposeegrupos-OHqueseanclanaldixidodetitanio.Enlafigura2se puede observar este proceso.

Este electrodo se encontraba sumergido en un electrolito que, siendo lquido, pudo embeber completamente la estructura porosa de xido,queasuvezcontenaunparredox,yoduro-triyo-duro(I-/I3-)enunsolventeorgnico.Porltimo,elcontraelectrodo fue otro sustrato conductor cu-biertoporunapelculadelgadadegrafito.Losdis-tintoselementosqueconformaronlaceldaDSSCseencuentranesquematizadosenlafigura3.

En la figura 4 semuestra la fotografade lacelda solar aqu construida, en donde se puede apreciar su ensamble sencillo.

Una vez construida la celda, se procedi hacer lasconexionesdebidasparaobservar lascaractersticas fotoelectroqumicas, tales comoelvoltajeencircuitoabierto(Voc), la corriente en corto circuito (Isc) y la potencia (Pm).

Tabla1. Relacin entre los componentes de una celda DSSC y la fotosntesis

Subsistema CeldaSolarDSSC FotosntesisAceptor de electrones NanoparticulasTiO2 DixidodeCarbonoDonante de electrones Electrolito Triyoduro AguaAbsorbedordefotones Colorante natural Clorofila

Figura2.Anclaje de la antocianina a la pelcula nanoporosa del TiO2 (Xiao, 1998).

Figura3. Esquema de una celda solar de dixido de titanio con colorante.

Figura4.Celda solar de dixido de titanio con colorante.


Enlasfiguras5y6sonmostradostantoeldia-gramadelcircuitohechoparaevaluarlaceldadelaceldaconstruiday lafotografade lamis-ma, respectivamente.

Basado en el registro de los datos con respec-toalacorrienteyvoltaje,seprocediahacerlasconexiones talycomoyasemostraronen lasfi-guras 5 y 6; entonces se incrementaron los valores de la resistencia de manera gradual por medio de unpotencimetrode500ohmsytambiensepro-cediahacer14medicionescuyosresultadossonmostradosenlafigura11.

RESULTADOS

Cinco celdas DSSC con dimensiones aproxima-dasdereaactivade1.8x1.5cmdelasconstrui-dasfueronconectadasenserieyseexpusieronalaluzsolar.Acontinuacinsemidielvoltajege-nerado en ellas de manera progresiva, es decir, primeroseregistrlamedicindelacelda1,re-sultando0.27V,luegoseconectlacelda1conlacelda2,resultando0.47V,yassucesivamente

Figura6. Fotografa mostrando las conexiones para la evaluacin de la celda solar construida.

Figura5. Diagrama del circuito para la evaluacin de la celda solar DSSC (Sekar y Gehlot, 2010).

hastacompletarlascincoceldas,conelobjetivodedeterminarsiexistaunadependencialineal.Lasfiguras7y8muestran lasmedicionesde lasceldas1 y 2por separadoy la figura9exponelas 2 celdas conectadas en serie y sus respectivas mediciones.Lafigura10presentalagrficaobte-nida con el total de las mediciones.

Lagrficadelafigura11muestralasmedicio-nesdevoltajeycorriente(V-I)correspondientesalaceldaDSSCconstruidaycuyafotografaesreveladaenlafigura6.Segraficalacorrienteencorto circuito IscyvoltajeencircuitoabiertoVoc. El experimento sebasen 14mediciones regu-ladasconunpotencimetrode500ohms,comoyasemencion,ylaceldafueiluminadaconluzartificialconbaseenlaluzhalgena,lacualre-produce condiciones de radiacin similares a la luz solar (Abalos, 2005).

Lagrficadelafigura12muestralacurvage-neradadelasmedicionesdevoltajeypotencia(V-P)correspondientesalaceldaDSSCconstrui-da(figura6).

Figura7. Celda DSSC 1. Figura8.Celda DSSC 2. Figura9.Celdas DSSC 1 y 2 conectadas en serie.


DISCUSIN

Sehahechounestudiodeunaceldasolarsensi-bilizadaconcolorante,conelfindedeterminarsiexistasimilitudconrespectoalaformaencmolasplantasylashojasdelosrbolescaptanlaluzsolary laaprovechanparasusprocesosdeab-sorcindeluzydetransferenciadeelectrones;ycon base en los resultados registrados en las me-diciones de la celda solar construida, se pudieron determinar algunas de las caractersticas, tales comolacorrienteencortocircuito,elvoltajeencircuito abierto y la potencia que coinciden con la literatura citada.

Con base en los resultados obtenidos de la grficadelafigura10,sepudoobservarqueexis-ta una dependencia lineal entre el nmero de celdasconectadasenserieyelvoltaje,elcual,como variable dependiente, se increment a medida de que se conectaron ms celdas.

Sehanhechoinvestigacionesacercadelpa-trnqueexisteentrelashojasyramasdelosr-boles y su colecta de luz solar a medida de que las ramas entran en contacto con la luz solar, y se haencontradoquesigueunarregloenespiralenlugar de ser plano como el de los arreglos de las celdassolaresparaformarlosmdulosfotovoltai-cos,locuallefavoreceparaaprovecharlosbe-neficiosdelaradiacinsolar;adems,undatoin-teresantequevalelapenainformaresacercadequelashojasyramasestnarregladassiguiendola secuencia de Fibonnaci, la cual presenta una relacinlinealderecurrencia(Outtasight,2011).

Con base en los resultados obtenidos en la figura11, sepuedeconcluirque lasmedicioneshechasmuestranuna tendenciaa lacurvaV-I.Asimismo, se muestra la curva que corresponde conlosexperimentosrealizadosconantocianinaabasedezarzamorasenlostrabajosdeZweibel(1990,1993).

En lafigura12 sepuedeobservarquesigueuna tendencia a presentar una curva, como la mostradaporAndjaret al. (2004).

CONCLUSIONES

Sehapresentadounestudioacercade lascel-dassolarestipoDSSCysurelacinconlafotosn-tesisnaturalexhibidaenlasplantasverdes.Conbase en los resultados obtenidos en la construc-cin de la celda solar y las respuestas generadas ensuspropiedadesfotoelectroqumicas,sepue-deconcluirquelasceldassolarestipoDSSC:

Figura10.Grfica de la relacin entrevoltaje y el nmero de celdas.

Figura11. Grfica de la curva V-I de la celda DSSC con luz artificial.

Figura12.Curva P-V de la celda DSSC con luz artificial.


L I T E R A T U R A C I T A D A

a) Imitanalafotosntesisnaturaldelasplantasverdes en cuanto a su proceso de absor-cindelaluzytransferenciadeelectronesen donde ambos procesos se realizan por separado.

b) Presentan una similitud en cuanto a una re-lacin de repetividad en el arreglo de cel-das solares al incrementarse la captacin deenerga solar y su conversin fotoelec-troqumica.

Cabesealarqueannoexistenestudios losuficientementeprofundosysustentadosacercade lo mencionado de estas celdas y cmo sus procesoselectroqumicosimitanlafotosntesisna-tural.Noobstante,elinterssehaidoincremen-tando con los aos, y por los avances vistos en la biomimtica,sepuededecirqueenunfuturonomuylejano,seconfirmeloquelosestudiosrecien-tesparecenindicaracercadeloexpuestoenelpresentetrabajo.

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