CELDAS  FOTOSINTÉTICAS  ARTIFICIALES:  ENERGÍA  LIMPIA  Y  RENOVABLE.  

Universidad  Nacional  de  la  Patagonia  San  Juan  Bosco  

Integrantes  del  grupo  

• Ávila,  Roger  (Ingeniería  en  Petróleo)  • Mansilla,  Ivana  (Ingeniería  Industrial)  • Mateos,  Julián  (Ingeniería  Química)  • Pinuer,  Pablo  (Ingeniería  en  Petróleo)  • Vallejo  Nieto,  Candela  Ailen  (Ingeniería  Química)  

           

Estrategias  comunicacionales  Abril  2015  

   

1  

Indice  general  

Contenido  Introducción  ........................................................................................................................................  2  

Desarrollo  ............................................................................................................................................  3  

Marco  teórico  ..................................................................................................................................  3  

Radiación  electromagnética  ........................................................................................................  3  

Luz  visible  ....................................................................................................................................  3  

Ley  de  Stark-­‐  Einstein  de  la  equivalencia  fotoquímica  ................................................................  4  

Espectroscopia  ............................................................................................................................  5  

Ley  de  Lambert  y  Beer  .................................................................................................................  6  

Espectros  de  absorción  de  moléculas  orgánicas  .........................................................................  7  

Absorción  con  disociación  ...........................................................................................................  7  

Ley  de  absorción  de  Grotthus-­‐Draper  .........................................................................................  8  

Reacciones  fotosesibilizadas  .......................................................................................................  8  

Celdas  de  Grätzel  .............................................................................................................................  9  

Introducción  ................................................................................................................................  9  

Descripción  de  la  celda  ..............................................................................................................  10  

Descripción  de  los  fenómenos  que  ocurren  en  la  celda  ............................................................  10  

Colorantes:  infinitos  colorantes  naturales  potenciales  para  utilizar  .........................................  11  

Rendimiento  de  la  celda  ............................................................................................................  12  

Conclusiones  .....................................................................................................................................  13  

Apéndice  ...........................................................................................................................................  14  

Materiales  para  realizar  una  celda  ................................................................................................  14  

Procedimiento  para  realizar  una  celda  .........................................................................................  14  

Referencias  y  bibliografía  ..................................................................................................................  18  

 

   

   

2  

Introducción  Uno  de   los  desafíos  determinantes  de  nuestra  época  es  encontrar  más  energía  y  a   la  vez  

reducir   la   emisión   de   dióxido   de   carbono   producido   por   el   uso   de   combustibles   fósiles.   En   los  próximos   años,   la   sociedad   tomará decisiones   cruciales   acerca   de   cómo   abordar   ese   desafío,  decisiones  que  podrían  alterar  el  curso  de  la  historia  de  la  humanidad  y  que  afectarán  al  bienestar  del  nuestro  planeta  para  los  siglos  venideros.    

Comprender  la  complejidad  de  nuestro  sistema  energético  moderno  nos  ayudará  a  tomar  decisiones   acertadas   sobre   cómo   construir   un   futuro   energético   responsable,   como   sociedad   y  como  personas.  A  pesar  de   las  crisis  económicas  que  afectan  al  mundo,  es  probable  que  para  el  año  2050  se  duplique  la  demanda  energética  mundial.  Para  esa  época,  la  población  mundial  habrá  crecido,  desde  los  7.000  millones  de  habitantes  actuales,  hasta  los  9.000  millones  de  personas.  En  los  países  en  vías  de  desarrollo  como  la   India  y  China,   la  prosperidad  recientemente  descubierta  está   erradicando   la  pobreza  de  gran  parte  de   sus  habitantes  e   introduciéndose  en   los  estilos  de  vida  modernos  y,  por  tanto,  generando  una  demanda  energética  mayor.  

En   un   futuro   cercano,   el   suministro   mundial   de   combustible   y   gas   de   fácil   acceso   será  incapaz  de  mantener  el  ritmo  creciente  de  la  demanda.  La  sociedad  necesitará  ampliar  los  usos  de  sus  energías  renovables  como  la  solar,  eólica  y  los  biocombustibles  que  necesitan  mayor  cantidad  de  energía  para  su  producción,  emitiendo  más  Dióxido  de  Carbono.      

Si  nos  concentramos  solamente  en  la  energía  solar  sabemos  que  existen  distintas  maneras  de  capturar  la  radiación  del  sol  y  convertirla  en  energía  útil.    

Las  formas  más  comunes  de  hacerlo  son  mediante  celdas  solares  fotovoltaicas  y  colectores  térmicos.   Sin  embargo,   ante  estos  populares  métodos   ya   comercializados,   existe  una  alternativa  que   funciona  por  medio  de  un  efecto   fotoquímico  que  evoca   a   la   fotosíntesis:   la   celda   solar   de  Grätzel.  

También  llamada  célula de pigmento fotosensible,  es  un  tipo  de  tecnología  solar  que  convierte   la   radiación   del   sol   en   energía   eléctrica.   La   celda   solar   de   Grätzel   es   un   invento   del  premio   Nobel   de   tecnología   2010,  Michel   Grätzel,   creado   en   1988   como   propuesta   alternativa  para  la  fabricación  de  cámaras  para  captar  energía  con  materiales  de  bajo  costo  y  de  manufactura  sencilla.  

   

   

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Desarrollo  

Marco  teórico  

Radiación  electromagnética  La   radiación   es   una   combinación   de   campos   eléctricos   y   magnéticos   oscilantes,   que   se  

propagan  a  través  del  espacio  transportando  energía  de  un  lugar  a  otro.  Ésta  puede  manifestarse  de  diversas  maneras  (calor,  luz  visible,  rayos  X,  etc.).  A  diferencia  de  otros  tipos  de  onda  como  el  sonido,  la  radiación  electromagnética  se  puede  propagar  en  el  vacío.    

 

Ilustración  1-­‐  Espectro  electromagnético  de  acuerdo  a  una  recta  que  define  como  cambia  la  longitud  de  onda*  (parte  inferior  donde  comienza  con  700  nanómetros  (nm)  y  termina  en  400  nm).  

Luz  visible  La  luz  visible  está  formada  por  radiación  electromagnética  cuyas  longitudes  de  onda1  están  

comprendidas   entre   400   y   700   nm2.   La   luz   es   producida   en   la   corteza   atómica   de   los   átomos,  cuando  un  átomo  por  diversos  motivos  recibe  energía  puede  que  algunos  de  sus  electrones  pasen  a   capas   electrónicas   de   mayor   energía.   Los   electrones   son   inestables   en   capas   altas   de   mayor  energía   si   existen   niveles   energéticos   inferiores   desocupados,   por   lo   que   tienden   a   caer   hacia  estos,  pero  al  decaer  hacia  niveles  inferiores  la  conservación  de  la  energía  requiere  la  emisión  de  fotones3.  

                                                                                                                         1  Longitud   de   onda   es   la   distancia   real   que   recorre   una   perturbación   (una   onda)   en   un    2  nm:  nanómetros,  equivalente  a  1E-­‐09  metros.  

 3  Los   Fotones   son   las   partículas   elementales   responsables   de   las   manifestaciones   cuánticas   del  fenómeno   electromagnético.   Es   la   partícula   portadora   de   todas   las   formas   e   radiación  electromagnética.   No   posee   masa   y   viaja   en   el   vacío   con   una   velocidad   constante   “c”.   Posee  

   

4  

 

Ilustración  2-­‐  Gráfico  que  demuestra  que  tipos  de  radiación  llegan  a  la  suerficie  terrestre  (los  cuales  se  pueden  aprovechar  para  funcionar  las  celdas  de  Grätzel)  

Ley  de  Stark-­‐  Einstein  de  la  equivalencia  fotoquímica  Establece   que   cada   molécula   que   toma   parte   en   la   reacción   fotoquímica   absorbe   un  

cuanto  de  luz  que  induce  la  reacción;  esto  es,  una  molécula  absorbe  todo  el  cuanto;  la  energía  del  haz  de  luz  no  se  distribuye  continuamente  sobre  un  número  de  moléculas.    

Si  se  define  como  acto  primero  de  la  reacción  fotoquímica  como  la  absorción  del  cuanto,  entonces   la   eficiencia   cuántica   para   el   acto   primario   es,   por   la   ley   de   Stark-­‐   Einstein,   igual   a   la  unidad.  Por  cada  cuanto  absorbido,  se  produce  un  hecho  primario.  Para  cualquier  sustancia  X  que  toma   parte   en   una   reacción   fotoquímica,   la   eficiencia   cuántica   o   rendimiento   cuántico   para   la  formación  (o  descomposición)  de  X  es  фx  y  está  definida  por:  

𝜙! =𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜  𝑑𝑒  𝑚𝑜𝑙é𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠  𝑑𝑒  𝑋  𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑎𝑠

𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜  𝑑𝑒  𝑐𝑢𝑎𝑛𝑡𝑜𝑠  𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜𝑠  

     

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   propiedades  corpusculares  y  ondulatorias  (se  comporta  como  una  onda  en  fenómenos  ópticos,  y  como  partícula  cuando  interactúa  con  materia)  

 

   

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Espectroscopia  La   espectroscopia   estudia   la   absorción   y   emisión   de   radiación   electromagnética   por   la  

materia.   La   serie   de   frecuencias   absorbidas   se   muestra   en   un   espectro   de   absorción;   las  frecuencias  emitidas  constituyen  el  espectro  de  emisión.  En  un  experimento  de  espectroscopia,  la  radiación   que   llega   a   la   muestra   no   sólo   provoca   tránsitos   por   la   absorción   desde   los   niveles  inferiores,   sino   que   también   se   reduce   la   emisión   estimulada   desde   los   niveles   superiores.   Esta  emisión   estimulada   viaja   en   la  misma   dirección   que   el   haz   de   l   radiación   incidente,   por   lo   que  genera  una  disminución  de   la  señal  e  absorción  observada.  La  energía  de  radiación  absorbida  se  disipa  corrientemente  por  colisiones  intermoleculares  en  forma  de  energía  traslacional,  rotacional  y  vibracional  de  las  moléculas.    

 

Ilustración  3-­‐  Gráficos  de  absorción  de  diferentes  sustancias.  Los  picos  (puntos  máximos)  denotan  que  en  esa  longitud  de  onda,  la  absorción  es  máxima)  

   

   

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Ley  de  Lambert  y  Beer  La   ley   de   Beer-­‐Lambert   relaciona   la   intensidad   de   luz   entrante   en   un   medio   con   la  

intensidad   saliente   después   de   que   en   dicho   medio   se   produzca   absorción.   La   relación   entre  ambas  intensidades  puede  expresarse  a  través  de  las  siguientes  relaciones:  

Para  líquidos:  

𝐼!𝐼!=  10!!"# =  10!!

Donde:

• A=  ϵcl • ϵ= coeficiente molar de extinción* • l=recorrido de la cuba (donde se mide la absorbancia, en cm.) • c= concentración molar

 

Ilustración  4-­‐  Cuba  y  rayo  incidente  para  la  experiencia  de  Lambert  y  Beer.  

La  ley  explica  que  hay  una  relación  exponencial  entre  la  transmisión  de  luz  a  través  de  una  sustancia  y   la  concentración  de   la  sustancia,  así  como  también  entre   la  transmisión  y   la   longitud  del   cuerpo   que   la   luz   atraviesa.   Si   conocemos   y   ϵ,   la   concentración   de   la   sustancia   puede   ser  deducida  a  partir  de  la  cantidad  de  luz  transmitida.  Las  unidades  de  c  y  ϵ  dependen  del  modo  en  que   se   exprese   la   concentración   de   la   sustancia   absorbente.   Si   la   sustancia   es   líquida,   se   suele  expresar   como   una   fracción   molar.   La   ley   tiende   a   no   ser   válida   para   concentraciones   muy  elevadas,   especialmente   si   el   material   dispersa   mucho   la   luz.   La   relación   de   la   ley   entre  concentración   y   absorción   de   luz   está   basada   en   el   uso   de   espectroscopia   para   identificar  sustancias.  

   

   

7  

Espectros  de  absorción  de  moléculas  orgánicas  Cuando  las  moléculas  en  un  estado  electrónico  dado  están  equilibradas  térmicamente,  la  

mayoría  de  ellas  se  encuentran  en  el  nivel  vibracional  de  menor  energía  de  ese  estado.  Por  tanto,  el   espectro  de  absorción   consiste  en  una  banda  que   se  origina  en  el  nivel   vibracional  de  menor  estado  electrónico  fundamental.  Por  otro  lado,  como  el  proceso  de  conversión  interna  después  de  la  excitación  es  muy  rápido,  todas  las  especies  excitadas  alcanzan  rápidamente  el  nivel  vibracional  más  bajo  S1.    

 

Ilustración  5-­‐  Diagrama  de  niveles  de  energía  y  cómo  se  genera  la  absorción  o  emisión  en  una  partícula.  

Absorción  con  disociación  Una  clase  de  reacciones  fotolíticas  es  la  de  aquellas  en  las  que  el  hecho  fotoquímico  primario  es  la  absorción  de  un  cuanto  por  una  molécula  seguida  de  la  disociación  de  la  molécula:  

𝑀 + ℎ𝜈 → 𝑓𝑟𝑎𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠  

Como   los   fragmentos   producidos   son   a  menudo   átomos   o   radicales   libres,   esta   etapa   primaria  suele   iniciar   un   mecanismo   en   cadena.   La   energía   requerido   para   esto   es   mucho   mayor   a   la  disociación  termodinámica  que  pueda  existir,  esto  se  debe  a  que  para  que  se  absorba  la  radiación  debe  existir   un  estado  electrónico   superior   al   que  pueda   transportarse  el   sistema  por  el   cuanto  absorbido;  es  decir   la  molécula  debe  poder   llevarse  a  un  estado  de  excitación.    Si   la  molécula  se  excita  (pasa  a  un  valor  mayor  de  estado  energético)  se  denota:  

𝑀 + ℎ𝜈 → 𝑀∗  

   

   

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Ley  de  absorción  de  Grotthus-­‐Draper    

Una  radiación  no  puede  provocar  acción  química  más  que  si  es  absorbida  por  un  cuerpo  (o  un  sistema  de  cuerpos);  si  no,  no  puede  haber  transmisión  de  energía.  Es  conveniente  señalar  que  las  radiaciones  que  constituyen  el  color  de  un  cuerpo  son  justamente  las  no  absorbidas.  No  tienen,  por  lo  tanto,  efecto  sobre  el  mismo.  Por  el  contrario  las  radiaciones  complementarias  de  éste  color  son  absorbidas  y  son  susceptibles  de  acción.  Por  ejemplo,  una  sustancia  de  color  verde  emite  el  verde  pero  absorbe  el  rojo  y  el  azul.  No  podrá  ser  descompuesta  más  que  por  estos  dos  últimos  colores.  

Reacciones  fotosesibilizadas  Las  reacciones  fotosensibilizadas  forman  una  clase  importante  de  las  reacciones  fotoquímicas.  En  estas  reacciones  los  reactivos  se  mezclan  con  una  sustancia  extra.  El  hecho  fotoquímico  primario  es   la   absorción   del   cuanto   por   el   átomo   o  molécula   extraña.   Es   decir,   se   agrega   esta  molécula  extraña  para  que   cuando  absorba  el   cuanto  de   luz,   ingrese  a  un  estado  de  excitación   y   con  esa  energía   los   reactivos   puedan   reaccionar.   La   sustancia   extraña   es   llamada   “sensibilizador”.   La  importancia   de   la   fotosensibilización   reside   en   el   hecho   de   que   la   reacción   se   produce   en  presencia  de  un   sensibilizador  en   circunstancias  en   las  que   la  disociación   fotoquímica  directa  es  imposible.    

 

   

   

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Celdas  de  Grätzel  

Introducción  La  celda  fotosintética  de  Grätzel  es  un  dispositivo  para  la  generación  de  electricidad,  como  

su   nombre   lo   indica,   la   celda   produce   electricidad   utilizando   la   radiación   solar4  y   artificial.   Pero  ¿Qué es  realmente  una  celda  de  Grätzel?  ¿En  qué  consiste  el  dispositivo  y  cómo  funciona?  

Una   celda   fotosintética   también   llamada   celda   solar   es   un   dispositivo   que   permite   la  generación     de   manera   independiente   de   energía   eléctrica   mediante   una   reacción   de   óxido-­‐reduccióni  inducida  por  el  efecto  fotoeléctrico5.  

Una  celda  es  un  sistema  que  contiene:  

• Dos   electrodos:   Un   electrodo   es   el   extremo   de   un   conductor6  que   en   contacto   con   un  medio   al   que   lleva   o   del   que   recibe   una   corriente   eléctrica,   estos   dos   electrodos   están  conectados  creando  un  circuito  cerrado.  A  uno  lo  denominaremos  ánodo  y  a  otro  cátodo,  esta  denominación  se  debe  al  hecho  de  que  en  el  ánodo  se  producirá  oxidación  mientras  que  en  el  cátodo  se  producirá  la  reducción.  

• Una   solución   rica   en  electrones:   es   el  medio  en  el   cual   los   electrones,   se  podrán  mover  libremente  

El  principio  básico  por  el  que  la  celda  solar  de  Grätzel  funciona  es  el  siguiente:  cuando  la  radiación  solar  pasa  por  el  electrodo  simple,  el  colorante  absorbe  la  energía  en  forma  de  fotones  y  traspasa  un  electrón  al  otro  electrodo.  En  este  momento  el  colorante  se  oxida7,  pero  vuelve  a  su  estado   original   recuperando   el   electrón     perdido   mediante   el   primer   electrodo   de   vidrio.   Este  proceso  en  cadena  es  el  que  da  origen  a  energía  eléctrica.  

                                                                                                                         4  La  radiación  solar  es  la  energía  que  emana  del  sol  en  forma  de  luz  y  calor.  

 5  El  efecto  fotoeléctrico  consiste  en  la  emisión  de  electrones  por  un  material  cuando  se  hace  incidir  sobre  él  una  radiación.  

 6  Los  conductores  son  materiales  que  permiten  el  movimiento  fácil  de  las  cargas  eléctricas  a  través  de  ellos.  

 7  La  oxidación  es  un  fenómeno  por  el  cual  un  elemento  pierde  electrones  de  valencia,  estos  electrones  son  los  que  se  encuentran  disponible  para  el  intercambio  electrónico  en  cualquier  proceso.  El  proceso  inverso,  la  reducción,  es  el  proceso  por  el  cual  un  material  acepta  electrones.  

 

   

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Descripción  de  la  celda  

 

Ilustración  6-­‐  Celda  de  Grätzel  (esquemático)  

La  celda  se  compone  de:  

• 1°  electrodo:  electrodo  de  vidrio  dopado  con  flúor8  • Dióxido  de  titanio  (TiO2)  sesibilizado  con  colorante:  es  el  responsable  de  conducir  la  

corriente  eléctrica  es  decir,  es  la  matriz  donde  los  electrones  serán  conducidos  de  electrodo  a  electrodo).  El  dióxido  de  titanio  se  sensibiliza  debido  a  que  es  transparente  a  la  luz  visible.  Al  sensibilizarlo  con  un  colorante,  el  colorante  absorbe  ciertas  longitudes  de  onda  de  la  luz  solar  y  de  esta  manera  dichas  moléculas  se  excitan  perdiendo  electrones;  generando  una  reacción  en  cadena  e  intercambiando  electrones  con  el  dióxido  de  titanio  que  es  un  excelente  conductor.  

• Solución  electrolítica  de  I-­‐/I-­‐3  (ión  ioduro-­‐triioduro):  solución  que  permite  más  área  interfacial  para  que  los  electrones  se  muevan  por  la  celda  

• Catalizador  de  Pt  (plata):  se  rocía  plata  para  mejorar  la  conducción  eléctrica  • 2°  electrodo:  cierre  de  la  celda  • Contiguamente  se  agregan  cables  que  cierran  el  circuito  creado.  

Descripción  de  los  fenómenos  que  ocurren  en  la  celda  1. Las  partículas  de  luz  llamados  “fotones”  o  “cuantos”,  golpean  la  molécula  de  la  molécula  

colorante  2. Este  fotón  le  da  energía  suficiente  a  uno  de  los  electrones  de  valencia  del  colorante  

(electrón  que  se  encuentra  disponible  para  “moverse”  desde  su  lugar  de  origen)  y  que  éste  se  mueva  hacia  las  moléculas  de  dióxido  de  titanio  

                                                                                                                         8  El  vidrio,  que  es  un  material  aislante,  se  dopa  (es  decir,  se  agregan  átomos  de  otra  naturaleza)  con  átomos  de  flúor  para  aportar  más  electrones  libres  que  aporten  a  la  corriente  producida.  

 

   

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3. Cuando  pasa  esto,  un  agujero  es  creado  detrás.  Un  mediador  (en  este  caso  es  nuestra  solución  electrolítica  con  I-­‐  ),  llena  dicho  agujero  con  uno  de  sus  propios  electrones  de  valencia,  quedando  cargado  positivamente  (ya  que  perdió  uno  de  sus  electrones)  

4. Los  electrones  viajan  hacia  el  ánodo,  viajan  sobre  el  cable  creando  una  corriente  eléctrica.  Desde  el  otro  electrodo  se  reciben  los  electrones  y  el  mediador  cargado  positivamente  toma  electrones  para  equilibrar  su  carga.  

5. Esta  reacción  se  genera  todo  el  tiempo,  mientras  que  existe  luz  incidente  sobre  la  celda.  

Colorantes:  infinitos  colorantes  naturales  potenciales  para  utilizar  Los  colorantes  sensibilizan  a  los  reactivos  de  la  celda  para  que  la  reacción  sea  posible.  Dichos  colorantes  pueden  obtenerse  de  la  flora,  experimentando  así  con  millones  de  plantas,  flores  y  frutos  para  su  buen  funcionamiento.  Se  prefieren  los  colores  desde  la  siguiente  lista:  

• Violetas  (400  nm)  • Azules  • Verdes  • Amarillos  • Rojos  (700  nm)  

   

   

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Esto  se  debe  a  que  a  la  superficie  terrestre  llega  UV  visible  y  también  IR  (sus  longitudes  de  onda  varían  desde  400  a  700  nm).  Según  Grotthus-­‐Draper,  las  sustancias  que  emiten  los  violetas;  absorben  todo  el  espectro  excepto  este  color.  Debido  a  que  abunda  más  la  parte  de  los  rojos  e  IR  en  incidencia  a  la  superficie  terrestre  y  muy  poco  de  UV;  se  requiere  que  se  absorba  todo  lo  que  más  se  pueda  de  los  rojos  e  IR,  por  lo  tanto  se  emitiría  violetas  o  azules.    

Rendimiento  de  la  celda  Lamentablemente   el   rendimiento   de   la   celda   todavía   no   es   alta,   alcanzando   hasta   ahora,   un  máximo   de   un   32%9,   aunque   en   el   futuro   esto   puede   llegar   a   ascender   gracias   a   las   nuevas  tecnologías   que   vendrán   en   el   futuro.   Este   rendimiento   relativamente   “bajo”   todavía   se   debe   a  varios  factores:  

• La   misma   fotodegradación   de   los   colorantes   afecta   a   la   conducción   eléctrica   (Bisquert,  2002,  p.4)  

• El  tamaño  de  las  nanopartículas  (a  menor  radio,  más  área   interfacial  y  mejor  conducción  eléctrica  (Grätzel,  2003,  p.  7,  fig.5)  

• La   energía   absorbida   en   forma   de   calor   reduce   la   eficiencia   debido   a   la   termalización  (Jayaweera,  2008,  p.  710  Inorganica  Chimica  Acta  361)  

• Los   vidrios   conductores  producen  alta   resistencia  al  paso  de   corriente,   y  el  dopaje  debe  hacerse  con  rigurosidad.  

Ventajas  y  desventajas  A  continuación  se  nombran  algunas  ventajas  y  desventajas  respecto  a  las  celdas:  

! No  contribuye  a  la  contaminación  atmosférica  ni  al  calentamiento  global,  ya  que  tiene  0%  emisiones  de  CO2  

! Posee  un  buen  uncionamiento  en  niveles  de  radiación  relativamente  bajos,  o  incluso  a  radiación  de  luz  artificial  

! Son  baratas  y  fáciles  de  hacer  ! Lo  potencial  de  las  celdas  es  que  permiten  la  construcción  de  paneles  flexibles,  portátiles,  

coloreados,  multiformas,  semitransparentes  y  ecorativas.  

   

                                                                                                                         9  32%  en  área  de  laboratorio  según  el  profesor  Michael  Grätzel,  científico  creador  de  este  tipo  de  celdas.  

 

   

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Conclusiones  Las  celdas  sensibilizadas  son  muy  promisorias  debido  a  su  costo  relativamente  bajo,  sus  posibilidades  de  aplicaciones  a  baja  intensidad  de  la  radiación.  Factibilidad  de  aplicación  sobre  sustratos  ligeros  y/o  flexibles,  a  los  niveles  de  eficiencia  alcanzados  en  un  lapso  de  tiempo  relativamente  corto,  entre  otras  ventajas.  Actualmente  se  trabaja  con  intensidad  en  esta  temática  para  la  mejora  en  los  niveles  de  eficiencia  y  estabilidad  de  estos  sistemas,  para  ello  se  investiga  además  la  utilización  de  nuevos  materiales.  

Según  la  problemática  ambiental  planteada  al  comienzo,  las  celdas  de  Gratzël  son  una  fuente  muy  viable  de  energía  limpia  y  renovable,  ya  que  no  contribuye  a  la  contaminación.  Sumado  a  esto  la  técnica  propuesta  es  fácil  de  utilizar  y  se  tienen  una  gran  variabilidad  de  materiales  disponibles  para  su  realización.  

Es  un  dispositivo  versátil,  ya  que  se  pueden  concebir  una  gran  variedad  de  configuraciones  y  nuevas  aplicaciones.  Considerando  las  células  convencionales  de  unión  sólida,  hay  que  señalar  que  los  semiconductores  inorgánicos  absorben  prácticamente  toda  la  luz  que  excede  su  energía  de  ancho  de  banda.  Esto  es  favorable  para  una  alta  eficiencia  de  conversión  de  luz  solar  en  electricidad.  Pero  los  colorantes,  por  otra  parte,  tienen  una  banda  de  absorción  bastante  estrecha,  y  la  posibilidad  de  configurar  la  absorción  en  diferentes  regiones  de  longitud  de  onda  confiere  a  la  célula  de  colorante  una  ventaja  natural  sobre  otras  células  solares.  Es  decir,  se  pueden  realizar  células  de  colorante  en  cualquier  color  deseado  para  una  aplicación  concreta.  Por  lo  cual  estas  encuentran  un  mercado  potencial  y  sin  competencia  si  se  desea  aprovechar  las  ventajas  para  producir  electricidad.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

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Apéndice    

Materiales  para  realizar  una  celda  • 2  piezas  de  vidrio  dopado  con  Flúor  (el  vidrio  puro  es  bastante  aislante,  por  lo  que  al  

doparlo  con  un  método  específico  en  una  de  sus  caras,  que  queda  fuera  de  esta  monografía  por  cuestiones  meramente  técnicas;  lo  hace  conductor.  Existen  diferentes  industrias  que  se  centran  en  la  producción  de  materiales  dopados),  utilizados  como  electrodos  

• Pasta  de  dióxido  de  titanio  nanoestructurado  (dióxido  de  titanio  luego  de  un  proceso  llamado  “doctor  blading”,  esto  también  por  cuestiones  técnicas,  escapa  del  trabajo  a  describir)  

• Solución  electrolítica  (se  puede  generar  fácilmente  con  HI)  • Cinta  aisladora  • Varilla  de  vidrio  • Espátula  • Colorante  • Perforadora  • Hornalla  • Tela  de  amianto  • Lámina  de  termoplástico  fina  • Cinta  con  alto  poder  sellante  • 2  Pinzas  cocodrilo,  2  cables  de  cobre  revestido,  1  lámpara  LED  (para  el  circuito  de  prueba  o  

testing)  

Procedimiento  para  realizar  una  celda  1. Se  toma  una  pieza  de  vidrio  dopado,  y  se  dispone  la  cara  conductor  hacia  arriba.  Con  cinta  

aisladora  se  determina  la  extensión  que  será  cubierta  por  el  material  siguiente  (aproximadamente  se  requiere  un  área  cuadrada,  que  deje  un  margen  a  los  lados  del  vidrio)  

2. Utilizando  una  espátula,  se  vierte  la  pasta  de  dióxido  de  titanio  nanoestructurado  y  con  una  varilla  de  vidrio  se  la  esparce  por  el  área  delimitada  por  las  dos  cintas  aisladoras  

3. Se  sacan  las  cintas  aisladoras  y  el  electrodo  es  horneado  a  alta  temperatura,  a  través  de  la  hornalla  arriba  de  la  tela  de  amianto  

4. Luego  de  dejar  enfriar  el  electrodo,  se  lo  remoja  en  un  recipiente  con  el  colorante  en  cuestión,  durante  una  noche  entera    

5. Se  saca  del  recipiente  el  electrodo  y  se  realizan  2  agujeros  en  dicho  electrodo,  en  dos  esquinas  opuestas,  de  manera  que  coincidan  con  el  margen  impuesto  por  el  primer  electrodo  

6. Se  rocía  plata  particulada  en  la  cara  conductora  del  electrodo.  También  se  puede  poner  una  hoja  fina  de  plata  como  un  film.  

7. Se  recorta  un  cuadrado  de  lámina  termoplástica  del  tamaño  del  área  del  cuadrado  del  primer  electrodo  y  se  recorta  desde  esa  lámina,  un  cuadrado  más  pequeño  dentro  para  que  el  dióxido  de  titanio  sensitivizado  pueda  tocarse  con  la  cara  del  electrodo  con  plata;  y  

   

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luego  se  apoya  el  segundo  electrodo  con  la  cara  con  plata  mirando  hacia  abajo,  sellando  la  celda.  

8. Luego  se  calienta  de  nuevo  a  través  de  una  hornalla  y  el  plástico  se  funde,  sellando  el  espacio  entre  electrodos  

9. Luego  la  celda  es  rellenada  con  solución  electrolítica,  inyectándose  a  través  de  los  agujeros  realizados  al  vidrio  

10. Se  utiliza  una  cinta  especial  que  tapa  los  agujeros  realizados  en  el  electrodo  11. Se  conexionan  las  pinzas  cocodrilo  con  los  cables  de  cobre,  y  lámpara  LED  12. Finalmente  se  conexionan  las  pinzas  cocodrilo  a  los  bornes  de  los  vidrios  electrodos  

   

   

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Material  gráfico  

 

Ilustración  7-­‐  Uniforme  militar  con  celdas  de  Grätzel  y  mochila  con  paneles  solares  

 

 

 

Ilustración  8-­‐  lámpara  y  persiana  hechas  con  paneles  solares  

   

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Ilustración  9-­‐  dispositivo  con  celdas  en  los  vidrios  de  los  lentes,  que  pueden  conectarse  a  un  dispositivo  móvil  

 

 

 

Ilustración  10-­‐  Bolso  con  panel  solar  utilizando  celdas  de  Grätzel  

   

   

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Referencias  y  bibliografía  • Patricia  Pizarro  de  Oro,  Desarrollo  de  materiales  basados  en  TiO2  

mesoestructurado  con  aplicaciones  fotocatalíticas,  tesis  doctoral,  Escuela  Superior  de  Ciencias  Experimentales  y  Tecnología,  Depto.  De  Tecnología  Química  y  Ambiental,  Universidad  del  Rey  Juan  Carlos,  2005.  

• P.V.V  Jayaweera,  A.G.U.  Perera,  K.  Tennakone,  Why  Grätzel’s  cells  works  so  well,  El  Sevier,  Inorganica  Chimica  Acta  361,  2007.  

• Rosa  Ramírez  García,  Eduardo  Sánchez  Cervantes,  Desarrollo  de  nuevos  electrolitos  con  potencial  uso  en  celdas  solares  nanocristalinas,  Ciencia  UNL,  1405-­‐9177  (en  red),  volumen  10,  n°4,  Octubre-­‐Diciembre  2007.  

• Michael  Grätzel,  Dye-­‐Sensitized  solar  cells,  El  Sevier,  Photochemistry  Reviews  145-­‐153,  2003,  www.elsevier.com.  

• Michael  Gratzel,  Solar  energy  Conversion  by  Dye-­‐Sensitized  Photovoltaic  Cells,  Inorganic  Chemistry,  44,  6841-­‐6851,  publicada  en  la  web  el  26/09/2005,  www.chemistryviews.org.  

• Juan  Bisquert,  Células  solares  de  titanio  nanoestructurado  sensitivizado.  Alternativas  para  la  generación  fotovoltaica,  maestría,  Universitat  Jaume  I,  Departament  de  Ciences  Experimentals,  Castelló,  España.  2002.  

• San-­‐cun  Hao,  Juhuai  Wu,  Yunfang  Huang,  Jianming  Lin,  Natural  dyes  as  photosensitizers  for  dye-­‐sensitized  solar  cell,  El  Sevier,  0038-­‐092,  en  línea,  06/07/2005,  www.elsevier.com.  

• Chiang-­‐Yu  Chien,  Bu-­‐Dar  Hsu,  Optimization  of  te  dye-­‐sensitized  solar  cell  with  anthicyanin  as  photosensitizer,  El  Sevier,  Solar  Energy  98  (2013)  203-­‐211,  2013.  

• Kyung-­‐Hee  Park,  Tae-­‐Young  Kim,  Ju-­‐Young  Park,  Adsorption  characteristics  of  gardenia  yellow  as  natural  photosensitizer  for  dye-­‐sensitizer  sollar  cells,  Dyes  and  pigments  96(2013)  595-­‐601,  2013.  

• Empresa  Gcell  (fábrica  de  dispositivos  y  paneles  solares  utilizando  la  tecnología  de  celdas  de  Grätzel)  http://gcell.com/