CÉLULAS SOLARES CON SEMICONDUCTORES ORGÁNICOS

CLULAS SOLARES DE SEMICONDUCTORES ORGNICOS TRASLUCIDOS DESARROLLO ACTUAL Y APLICACIONES

1. Resumen:Consiste en hacer una revisin del estado actual de clulas solares orgnicas en las que se haya buscado la transparencia de la misma, abordando su desarrollo desde mltiples tecnologas y teniendo en cuenta que no hay una propuesta "ganadora". Se estudiarn las diferentes aplicaciones de las mismas en la arquitectura, como se desenvuelven tanto en laboratorio como en la industria, que potencias y debilidades tiene este innovador sistema y cul es su proyeccin a futuro como respuesta a los dems sistemas existentes. Palabras clave: energa solar, semiconductores orgnicos, sostenibilidad, celdas solares.

2. Introduccin:A pesar de los avances en el campo de la industria solar, el coste de la fabricacin de clulas fotovoltaicas continua siendo muy alto para muchas aplicaciones, sobre todo cuando se requieren grandes superficies. Uno de los factores que elevan el precio de estas tecnologas es la necesidad de procesar semiconductores a altas temperaturas en ambientes al vaco. Esto limita la fabricacin a procesos por lotes, con la poca rentabilidad que esto conlleva. Para poder entender de manera eficaz el funcionamiento y los avances que se han venido realizando en los ltimos aos en relacin a los semiconductores orgnicos, es necesario comprender la fuente de energa que se quiere aprovechar. Espectro de Luz:

Toda radiacin electromagntica, luz solar incluida, est compuesta de partculas llamadas fotones, que transportan cantidades especficas de energa determinadas por las propiedades espectrales de su fuente. Los fotones muestran un comportamiento de onda con una longitud de onda relacionada con la energa del fotn E de la siguiente forma: E = hc/ *Donde h es la constante de Planck, c es la velocidad de la luz. Siendo la longitud de onda la distancia recorrida por la misma en un periodo (tiempo transcurrido entre dos puntos equivalentes de la onda), y la frecuencia el inverso del periodo. Por lo que a menor longitud de onda (ultravioletas) mayor energa. Sera interesante poder capturar esta radiacin en una supuesta clula solar orgnica transparente tras perder la capacidad de absorber la franja lumnica visible por el ojo humano. La aplicacin de la Ley de Planck al sol con una temperatura superficial de unos 6000 K nos lleva a que el 99% de la radiacin emitida est entre las longitudes de onda de 0,15 m (micras) y 4 micras. Como 1 (angstrom) = 10-10 m = 10-4 micras (0,0001 m) resulta que el Sol emite en un rango de 1500 hasta 40000 . La radiacin ultravioleta u ondas cortas ira desde los 0.15 m a los 0.4 m. La luz visible se extiende entre los 0.4 m y los 0.74 m. Y la radiacin infrarroja u ondas largas desde las 0,74 micras a 4 micras.

1

Leonardo Orellano Chaffo | UPM

Figura 1. Espectro de radiacin de las ondas electromagnticas.

La atmsfera de la Tierra constituye un importante filtro que hace inobservables radiaciones de longitud de onda inferiores a las 0,29 micras (2900 ) por la fuerte absorcin del ozono y el oxgeno. Un clculo rpido con estos datos nos permite saber qu porcentaje del espectro solar ocupa la luz visible: 40.000 - 2900 = 38500 es el 100% (radiacin solar) 7400 - 4000 = 3400 resulta el 8,83% Dejando un 91,17 % de todo el espectro solar que podramos aprovechar para nuestra aplicacin que solo despreciara la luz visible. Este clculo es meramente orientativo ya que el espectro de radiacin solar es ms intenso para unas radiaciones que otras. Una clula solar semiconductora es simplemente un diodo semiconductor que ha sido cuidadosamente diseado y construido para absorber eficientemente y convertir energa lumnica del sol en energa elctrica. En clulas basadas en el silicio, slo los fotones con suficiente energa para crear un par electrnhueco (aquellos con una energa mayor que la banda prohibida del semiconductor) contribuirn al proceso de conversin de energa. Por este motivo la naturaleza espectral de la luz solar es una importante consideracin en el diseo de clulas solares eficientes.

2Figura 2. Seccin de una clula solar de silicio con diagrama de su funcionamiento.


En los artculos sobre las clulas solares convencionales (opacas) no suelen indicar la franja lumnica que absorben sino el porcentaje de absorcin de la radiacin solar que llega a la superficie terrestre, esto es as ya que no se busca despreciar radiacin sino aprovechar toda la que se pueda.

3. Avance actual de las tecnologas:La clula fotovoltaica orgnica apareci en 1990 con la intencin de reducir el coste de la electricidad fotovoltaica, de hecho el trmino fotovoltaica orgnica hace referencia a las clulas solares que utilizan materiales semiconductores orgnicos, la mayor parte de ellos, teidos. La clula de Grtzel, una clula electroqumica sensibilizada por colorante que lleva el nombre de su inventor, Michael Grtzel (Premio Millennium de Tecnologa de 2010), de la Universidad Tcnica de Lausana, Suiza, de hecho, su funcionamiento se rige por mecanismos parecidos a los que gobiernan la fotosntesis de las plantas, utiliza la molcula de la clorofila que las plantas utilizan para convertir el sol en energa qumica. Una variante de la clula orgnica son los polmeros conductores utilizados por Alan Heeger ( Premio Nobel de Qumica en el 2000). El principio segn el cual funcionan tanto las clulas orgnicas como las que usan polmeros se basa en la transferencia de electrones iniciada por la luz del sol, el denominado sistema donante receptor. Las capas fotoactivas de estas clulas normalmente consisten de un material que cede electrones y otro que acepta electrones. Para las clulas solares orgnicas, se utilizan colorantes del grupo denominado ftalocianinas como donantes, y molculas de tomos de hidrocarburo (con fullerenos) como receptores. En las clulas solares orgnicas con polmeros, se utilizan polmeros compuestos como donantes y en algunos casos, tambin como receptores. A menudo se utilizan fullerenos como receptores de electrones. La estructura de una clula fotovoltaica de polmeros es similar a una orgnica, aunque su capa fotoactiva consiste en una combinacin donante-receptor. La produccin de la capa activa de una clula solar de polmeros es sencilla: primero los materiales donante y receptor se disuelven en un disolvente y luego se excitan presionndolos contra un sustrato adecuado. Despus de que el disolvente se haya evaporado, se forma una pelcula homognea de aproximadamente 100 nanmetros. Esto es menos de la centsima parte del grosor de un pelo humano. Es decir, que estamos hablando de "placas" fotovoltaicas qu consistiran en imprimir polmeros sobre una pelcula de plstico, con lo cual los costes de fabricacin seran mnimos. De hecho, es posible utilizar tecnologas de impresin ya existentes, que facilitaran la impresin a escala industrial. Esquema del funcionamiento de una clula solar orgnica:Figura 3. (a) Diagrama esquemtico de transferencia de carga fotoinducida en la interfaz entre dos semiconductores con distintos niveles de ionizacin y afinidades electrnicas. (b) Esquema que muestra una mezcla de polmeros aceptores de electrones y de huecos puede ser usada para proporcionar heterouniones distribuidas a travs de la capa de compuesto polimrico.

3


4. Materiales empleados: Polmeros:

Tal vez hayamos escuchado esta palabra en alguna revista de cientfica o en algn documental, un polmero es una cadena (molecular) de dimensiones muy reducidas en la que una unidad estructural (monmero), a modo de eslabn, se repite un nmero muy elevado de veces.

Figura 4. Diagrama molecular del Etileno

La existencia de polmeros en la tierra se remonta ms all del origen de la vida. La celulosa, el caucho, muchas protenas, y hasta el ADN, todos ellos poseen un carcter polimrico. Los polmeros sintticos, fabricados en un laboratorio, han alcanzado un lugar preferente en el mundo moderno. Sus aplicaciones comprenden una amplia gama de productos que van desde utensilios de la vida cotidiana, como pueden ser juguetes o textiles artificiales, hasta dispositivos de alta tecnologa, tales como las ventanas ultra-resistentes de las naves espaciales, fibras pticas para telecomunicaciones de corta distancia, los chalecos antibalas o las delicadas cpsulas biocompatibles y biodegradables en las cuales se alojan medicamentos que se introducirn en el cuerpo de un paciente. Alguna de las caractersticas importantes de estos materiales son su bajo coste como materia, fciles de producir y de moldear en mltiples formas y colores. Adems, exhiben un amplio abanico de propiedades que se pueden modificar en un laboratorio qumico segn requisitos muy estrictos. Es decir, son materiales muy baratos y extraordinariamente verstiles. En los ltimos aos se ha desarrollado un tipo especial de plsticos que aaden a las propiedades bsicas citadas otras caractersticas materiales muy preciadas, como son la conduccin elctrica de los semiconductores y metales -que constituye la base de la microelectrnica moderna- o la absorcin y emisin de luz tpica de los semiconductores y tintes que ha revolucionado el mercado del ocio (pantallas planas, CD, DVD, fotodetectores etc.). El descubrimiento de los plsticos conductores y semiconductores en los aos setenta del siglo XX abri todo un nuevo campo de investigacin. Qumicos, fsicos e ingenieros de todo el mundo han unido sus esfuerzos para desarrollar una tecnologa que permitira expandir todava ms, dado su reducido coste, el uso de dispositivos electrnicos y optoelectrnicos. Aunque se ha avanzado mucho en los ltimos aos, todava existen tres retos importantes por resolver para lograr la comercializacin de esta tecnologa. Se trata de aumentar la eficiencia de conversin energtica, mejorar la estabilidad ambiental y verificar la fabricacin a gran escala.

Polmeros como semiconductores.

Se utilizan polmeros conjugados capaces de conducir los electrones. La especial configuracin de sus enlaces, alternando dobles y simples, permite la conduccin electrnica como semiconductor, obteniendo comportamientos anlogos a semiconductores inorgnicos dopados. Los materiales moleculares presentan propiedades semiconductoras cuando sus tomos de carbono presentes en la molcula o en la cadena polimrica estn unidos como orbitales hbridos sp2 + pz. Los orbitales pz forman orbitales moleculares y * deslocalizados, los cuales son reconocidos como la alternancia de uniones simples y dobles carbn-carbn.

4


Un ejemplo de estos materiales son los siguientes:

Figura 5. Estructuras qumicas de varios semiconductores orgnicos. Se usan mucho los derivados del perileno como aceptores de electrones y capas transportadoras de cargas por xerografa. Las porfirinas pueden ser hechas con varios iones metlicos (M) en su centro. Normalmente encontramos magnesio, cobre y zinc.

Debido a sus propiedades, la extraccin de los electrones solo es posible en grosores menores de 20 m, aunque se ha intentado hacerla ms gruesa para evitar la transparencia y poder aumentar su captura de radiacin lumnica. Esto es as debido a que en grosores mayores no se es posible energticamente separar el par electrn-hueco.

5. Tcnicas de fabricacin:Actualmente los semiconductores orgnicos son producidos en grandes superficies a temperaturas relativamente bajas, tanto como por mtodos al vaco, como por sublimacin de material o preferiblemente por procesos con materiales capaces de formar pelculas como los polmeros. La reduccin de costes tendr lugar en parte por el bajo coste del poco volumen necesario en las delgadas capas activas de semiconductor, pero ms importante por el bajo coste de los otros materiales usados, como los sustratos, y los reducidos costes de fabricacin por procesos como la produccin roll to roll. La fabricacin roll to roll consiste en sucesivas deposiciones de las distintas capas que lo forman. Se empieza poniendo el contraelectrodo transparente (ITO: oxido de estao e indio por ejemplo) en el sustrato transparente (cristal, etc.), la capa o capas de semiconductor polimrico (por sublimacin al vaco y/o por procesado de soluciones) y un electrodo de metal (por deposicin al vaco).Las tcnicas de fabricacin de clulas solares orgnicas son relativamente simples y pueden ser fcilmente aplicadas para grandes superficies y producciones a gran escala.

5

Figura 6. Demostracin de produccin de la clula solar por procesos roll-to-roll.


6. Banda de absorcin lumnica:Cada tipo de polmero tiene sus propias cualidades, por lo que es difcil agrupar y generalizar datos. Sin contar que continuamente se investigan y desarrollan nuevos compuestos.

Figura 7. Representacin esquemtica de la tcnica usada para fabricar una interfaz difusa de una clula fotovoltaica polimrica. El grafico muestra el espectro de accin de la fotocorriente de una clula fotovoltaica laminada; la fotocorriente imita el espectro de absorcin.

7. Eficiencia y estabilidad actual, previsible en un futuro y terica :El Fraunhofer Institute est luchando contra los costes de fabricacin, intentando elevar las eficiencias y aportar estabilidad a las clulas, que son precondiciones indispensables para poder lanzarlas al mercado comercial. Los investigadores de este centro ven como primeras aplicaciones potenciales de las clulas orgnicas su inclusin en los telfonos mviles y otros aparatos electrnicos de poco consumo. Otras posibles aplicaciones son la alimentacin de microsistemas y redes de sensores que son autosuficientes en trminos de energa. El objetivo a largo plazo de estos investigadores es asegurarse de que las clulas orgnicas aportan su granito de arena al suministro sostenible de electricidad. El Dr. Siegfried Dais, directivo de la compaa Bosch, asegura que "queremos ofrecer una fotovoltaica barata al gran pblico gracias a las clulas orgnicas". Y esto slo ser posible si se producen en masa. Bosch est desarrollando los procesos de produccin que puedan posibilitar esta fabricacin en serie de clulas fotovoltaicas orgnicas. "Tambin queremos dar un paso de gigante hacia una vivienda autosuficiente energticamente". Su objetivo es desarrollar clulas orgnicas que tengan un rendimiento mnimo de un 10% y una vida til de ms de 20 aos. Para un posterior desarrollo de la fotovoltaica orgnica, BASF y Bosch estn cooperando con la empresa de Dresden Heliatek GmbH en proyectos de investigacin. Heliatek se ha especializado en la fabricacin de clulas solares con un proceso de fabricacin roll-toroll y ahora est trabajando en una tecnologa particularmente eficiente que permitir construir mdulos fotovoltaicos sobre sustratos flexibles con costes ms bajos de produccin. BASF est

6


investigando sobre materiales orgnicos semiconductores con un alto grado de estabilidad trmica y fotoqumica. Segn BASF, estn a punto de lanzar un sistema muy innovador y ahora estn determinando propiedades cruciales del producto final. Aqu BASF tiene una gran ventaja con su experiencia sobre el diseo en el campo de electrnica orgnica, as como sobre la sntesis y produccin de compuestos orgnicos complejos. Empresas como BASF, BOSCH, MERCK y SHOTT estn unificando fuerzas y van a invertir 360 millones de euros en la fotovoltaica orgnica. Se calcula que los primeros productos salgan al mercado en 2015. La empresa Solarmer, la cual se estudiar ms adelante, mostr un prototipo de clula solar orgnica con una eficiencia del 8%. Cifra muy alejada de los resultados obtenidos en laboratorios acadmicos. Hay que tener en cuenta que el lmite superior de la eficiencia de la conversin energtica de las clulas solares que utilizan un solo absorbedor fue calculado por Shockley y Queissar en 1961 y tiene un valor de ~31%. Sin embargo, la mayor eficiencia de IPCE (Eficiencia de la conversin de Fotones Incidentes) del 14% se ha obtenido en un dispositivo de laboratorio con nanoparticulas de una sola capa como capa activa. Ejemplo de la eficiencia de conversin energtica en funcin de la longitud de onda recibida por la clula solar:

Figura 8. Respuesta espectral de la eficiencia energtica de dispositivos de nanoparticulas de M3EH-PPV y CN-ter-PPV con distinto nmero de capas: una (lnea continua), dos (lnea discontinua), tres (lnea ms discontinua) y ocho (lnea punteada).

8. Posibilidad de aplicaciones transparentes :Depende sobre todo del polmero utilizado, aun as la seccin habitual de una clula solar orgnica es como sigue, siendo la capa orgnica de menos de una micra de grosor:

Figura 9. Corte esquemtico de una clula fotovoltaica orgnica tipo sndwich. El grosor de la capa orgnica es tpicamente de 0,01~1 m.

7


9. Soluciones comerciales :Las siguientes empresas fueron encontradas gracias a comentarios en algunas patentes y artculos que ponan sobre la pista de las mismas, otras mediante artculos cientficos sobre novedades fotovoltaicas y algunas de ellas tambin mediante los artculos que haban presentado sobre sus investigaciones.

A. SOLARMERSolarmer Energy, Inc. es un desarrollador de paneles solares plsticos, flexibles y transparentes que generan energa limpia de bajo coste a partir de la radiacin del sol. Inicialmente la compaa licenci un portafolio de tecnologa desarrollada por la UCLA (La Universidad de California, Los ngeles) y la Universidad de Chicago. La sede de Solarmer se encuentra en El Monte, California.

Tecnologa

La tecnologa de clulas solares plsticas transparentes de Solarmer combina la tecnologa de materiales plsticos activos con tecnologa de electrodos transparentes, dando lugar a clulas solares transparentes con una amplia opcin de colores. Solarmer defini un prototipo comercial con una eficiencia del 8.13% y con una vida de ms de 3 aos para una clula solar de 50 cm2 a finales de 2009. La tecnologa de clulas solares plsticas reduce, principalmente, los costes de tres formas distintas: 1. El coste de la materia prima (plstico) es pequeo. 2. Ahorro en materiales (clulas fotovoltaicas extremadamente delgadas). 3. Bajo coste de fabricacin (tcnicas de impresin). ESPECIFICACIONES TCNICAS 30 - 50 $/m^2 30W/m^2 1 - 3 aos 100 gr/m^2 45% A pedido No toxico y reciclable

Costo Colores Power Output Tiempo de vida Peso Trasparencia Tamao Perfil Medioambiental

Descripcin

Los paneles solares de Solarmer tienen el potencial de reducir el coste de la energa renovable a 0,12~0,15 $/kWh y menos de 1 $/W, lo que significa que los paneles solares plsticos sern la primera tecnologa solar capaz de generar electricidad con costes similares a los de combustibles tradicionales. Los mdulos fotovoltaicos integrados en edificios (BIPV) son paneles solares usados en partes de los edificios como las ventanas, claraboyas, techos y muros. Estos paneles son usados para generar electricidad que ayude a suministrar energa al edificio durante el da cuando la demanda est en su tope. Este sector es uno de los que tienen un mayor crecimiento en la industria solar.

8


Las clulas solares plsticas de Solarmer son adaptables a aplicaciones integradas en edificios por su flexibilidad, fcil instalacin, gran rendimiento con luz tenue o indirecta y su valor esttico para arquitectos. La mayor ventaja es el bajo coste de la electricidad generada, un 20% del coste en las clulas solares tradicionales. La inclusin de esta tecnologa en materiales de construccin durante la fabricacin de los mismos, su poco peso y su flexibilidad reduce aun ms los costes de instalacin. Solarmer espera que los paneles solares plsticos para aplicaciones integradas en edificios estn disponibles para 2013.

Investigadores

Solarmer fue fundada en el 2006 para comercializar esta tecnologa desarrollada por el profesor Yang Yang en el Instituto de Nanosistemas de California de la UCLA. La compaa ha licenciado esta tecnologa de la UCLA y tecnologas desarrolladas por el profesor Luping Yu de la universidad de Chicago. Estos paneles solares plsticos, hechos de capas muy finas de plsticos y otros materiales, convierten la energa solar en electricidad de una manera muy eficiente y barata. Yang Yang: http://yylab.seas.ucla.edu/index.aspx Luping Yu: http://lupingyu.uchicago.edu/

B. POWER PLASTIC DE KONARKAKonarca Technologies fue fundada en 2001 por un equipo de cientficos de la Universidad de Massachusetts Lowell (UMass Lowell), dirigidos por el difunto Dr. Sukant Tripathy (cientfico de materiales internacionalmente conocido y tambin profesor en la UMass Lowell), el Dr. Alan Heeger (premio Nobel de qumica en el ao 2000) y Howard Berke (presidente ejecutivo de Konarka). En 2008 Konarka sac al mercado Power Plastic. En 2009 abrieron una planta de fabricacin a gran escala en New Bedford, Massachusetts y present 7 paneles estndar para aplicaciones de microelectrnica y de alimentacin porttil y/o para lugares remotos.

Tecnologa

Sus actuales investigaciones estn explorando nuevos productos qumicos para aplicaciones fotovoltaicas orgnicas, as como mejoras de su tecnologa que produzcan ms energa a precios ms bajos. La compaa tiene alrededor de 350 patentes y solicitudes que cubren cada aspecto de los procesos y qumica implicada en su tecnologa. La base de la tecnologa de Konarka es un material polimrico fotoreactivo inventado por el cofundador de Konarka, el Dr. Alan Heeger. Este material puede ser impreso o aplicado a bajo coste en sustratos flexibles usando fabricacin roll-to-roll parecida a como los peridicos son impresos en largos rollos continuos de papel. Actualmente el panel orgnico de konarka tiene una eficiencia del 8.3% y una durabilidad promedio de entre 3 - 5 aos, comercializa sus productos en una gama de colores de van desde los translucidos hasta colores como rojos, purpura y verde oscuro.

9


Descripcin

Konarka fabrica Power Plastic, un panel solar orgnico, fino y flexible que otras empresas fabricantes incorporan en sus productos. La tecnologa solar de Konarka es efectiva en situaciones de luz indirecta. La energa total recolectada por Power Plastic sobrepasa la de otros paneles solares y proporciona energa solar y libertad de diseo a arquitectos, fabricantes de vidrio y otros sectores relacionados con la contraccin. Al contrario que con el silicio y otras tecnologas solares similares, la energa conseguida por Power Plastic de Konarka puede provenir desde el amanecer hasta el ocaso, debido a la capacidad de las clulas orgnicas para trabajar con luz difusa.

Figura 10. Comparacin de la recoleccin solar de distintas tecnologas en funcin de la hora.

Investigadores

Ph.D. Alan J. Heeger (cientfico jefe, cofundador y consejero de Konarka): Ganador del premio Nobel de qumica del ao 2000, el Dr. Heeger y sus colegas de la Universidad de California, Santa Brbara, han hecho investigaciones pioneras en el rea de los semiconductores y polmeros metlicos. Su grupo de investigacin se centra actualmente en problemas relacionados con la estructura electrnica fundamental de esta nueva clase de materiales y lleva a cabo estudios de diodos emisores de luz (LEDs), clulas electroqumicas emisoras de luz (LECs) y lsers todos ellos fabricados con polmeros (conjugados) semiconductores. Ph.D. Sukant K. Tripathy (cientfico fundador, fallecido en 2000): Ha realizado importantes contribuciones en diversos temas como ptica linear de segundo orden, autoensamblaje molecular, diodos emisores de luz (LEDs), sntesis biocatalticas y enzimticas de nuevos polmeros, etc. Ph.D. Srinivasan Balasubramanian (jefe de laboratorio de I+D y cofundador): Es responsable de la investigacin, del proceso de desarrollo y del control de calidad de las clulas fotovoltaicas para aplicaciones de energa porttil. Tiene una gran experiencia en la sntesis y procesado de materiales polimricos para aplicaciones relacionadas con la optoelectrnica.

10


PH.D. Kethinni Chittibabu (cientfico principal y cofundador): Ha desarrollado una tcnica de sinterizado a baja temperatura, que ayuda a transferir clulas solares basadas en nanoparticulas semiconductoras sensibilizadas con colorante a substratos de polmeros flexibles. Actualmente est desarrollando clulas solares tanto de estado slido sensibilizadas con colorante como hibridas de materiales inorgnicos y polimricos.

Caractersticas del producto

Tomadas del modelo de mayor tamao de Konarka: la Power Plastic 40 Series

Figura 11. Tablas con caractersticas electrnicas ofrecidas por el fabricante para un dispositivo en venta.

11


C. DYESOLDyesol es una empresa australiana que fabrica y comercializa tecnologa de clulas solares sensibilizadas por colorante.

Tecnologa

Estas clulas solares se componen de un electrolito, una capa de dixido de titanio y colorante de rutenio intercalado entre laminas de vidrio. La luz incidente sobre el colorante excita los electrones que son absorbidos por el dixido de titanio para dar a lugar a una corriente elctrica. Comparada con la tecnologa fotovoltaica convencional basada en el silicio, la tecnologa de Dyesol tiene un menor coste y necesitan menos energa para fabricarla, produce electricidad ms eficientemente incluso en condiciones de poca luz y puede ser incorporado directamente en edificios remplazando paneles de vidrio convencionales en vez de tener que ocupar el tejado o un rea de terreno extra. En 2008 Dyesol present una clula con un pico de eficiencia de ms del 12.2% en conversin elctrica de la luz solar; unas clulas multicoloreadas, robustas y flexibles para aplicaciones de camuflaje y seguridad; y una aplicacin prctica de las clulas solares de colorante en una lnea de recubrimiento de bobinas de acero.

Figura 12. Muestra el proceso de fotosntesis que las Hojas de las plantas realizan en las que la luz solar absorbida en la hoja por la clorofila convierte el gas de dixido de carbono y agua en carbohidratos (glucosa) y oxgeno, proporcionando as a los requerimientos de energa de la planta

Figura 13. Muestra el proceso de fotosntesis Artificial que es el trmino dado al concepto por el cual se sustituye la estructura de la hoja por un xido de titanio poroso nanoestructura, y la clorofila es sustituido por un tinte de larga duracin.

Estas clulas sensibilizadas por colorante consisten en una monocapa de tinte qumicamente modificado, en las industrias de semiconductores es el amortiguador principal de la luz del sol, los portadores de carga libres son generados por las inyecciones de electrones de una molcula de colorante, excitado por la radiacin visible, que entran en la banda de conduccin de una gran superficie pelcula rea de semiconductores y se mueven ms por un circuito externo, lo que convierte la luz en energa "verde".

12


Descripcin

Dyesol desarrolla dispositivos para aplicaciones fotovoltaicas de todo rango usando sustratos de vidrio, metal, cermico o plstico. El rango de diseo abarca desde aplicaciones electrnicas de consumo hasta productos para construccin diseados con una vida til de 25 aos. Se detallan a continuacin dos de los diseos ofrecidos por la compaa: Dyesol Series Interconnect Glass Module est diseado para aplicaciones en las que se requiere una mayor vida til. Este producto est diseado para ser colocado en monturas expuestas y para formar la fachada de edificios (BIPV). El cableado elctrico suele ser con un bus pequeo de corriente continua hacia una red para su distribucin o a un inversor de alterna.

Figura 14. Ejemplo de solucin BIPV de Dyesol.

Figura 15. Ejemplo de solucin para aplicaciones mviles a la intemperie.

Investigadores

El Dr. Hans Desilvestro (jefe del grupo de cientficos de Dyesol) es experto en el campo de la fotoelectroqumica y las clulas solares sensibilizadas por colorante. Adems tiene ms de 25 aos de experiencia en investigacin y desarrollo y en administracin tcnica en la industria de la tecnologa de bateras.

10.

Aplicaciones en la arquitectura.

Las aplicaciones de la energa fotovoltaica se proyectan hoy mucho mas all de las tradicionales instalaciones de los sistemas fotovoltaicos como "artefactos", tanto en la arquitectura como en la ciudad. Desde hace una dcada, al menos, se busca la integracin en el diseo mismo; para explicar esto seguiremos el siguiente esquema de las posibilidades de integracin: Integracin en fachada.

Esta integracin comprende toda aquella incorporacin de elemento fotovoltaico en la superficie de envolvente del edificio de un nico plano. En este caso el sistema estructural de la fachada fotovoltaica es nico y cumple con diversas funciones: es al mismo tiempo estructura de cerramiento, apertura de los vanos, y generador fotovoltaico, el cual, asociado a la tcnica de cmara de aire entre vidrios aprovecha las caractersticas trmicas y de ventilacin que se puedan generar. Esta aplicacin ofrece una elevada flexibilidad proyectual de evidentes valores estticos y compositivos de la fachada y la cubierta o en su conjunto. Funciona como control parcial de la

13


radiacin solar, disminuyendo la luminosidad hacia el interior del edificio y aprovechando el efecto trmico que, en general, en los paneles independientes disminuye la eficiencia. - En fachada vertical continua. - En fachada vertical discontinua. - En fachada inclinada. - Instalacin de mdulo inclinado en fachada vertical. Integracin en cubierta.

Esta tipologa de integracin aprovecha la disponibilidad de amplias superficies en la cubierta para incorporar elementos fotovoltaicos, ya que el rendimiento en esta posicin es mayor dada la incidencia solar en la cubierta de acuerdo a su posicin paralela al zenit; adems, la orientacin de los mdulos es ptima en cuestin de rendimiento energtico, a diferencia de la integracin sobre fachada del edificio, una de las formas ms comunes y econmicas teniendo las condiciones favorables de mxima exposicin solar. - En cubierta inclinada. - En cubierta planas y curvas. - Estructura inclinada en cubierta planas y curvas.

Hay un documento el Pagliaro,M., Ciriminna,R. & Palmisano,G. BIPV: merging the photovoltaic with the construction industry. Progress in Photovoltaics 18, 61-72 (2010), donde podemos encontrar ejemplos de aplicaciones reales de soluciones fotovoltaicas en edificios, pudiendo comprobar que est empezando a generalizarse el uso de esta tecnologa integrada en edificios. Generalizarse el uso de esta tecnologa integrada en edificios.

Figura 16. Estacin de tren Lehrter en Berln (Alemania) de mdulos fotovoltaicos transparentes.

La Estacin de tren Lehrter en Berln instalo en su construccin un sistema fotovoltaico orgnico semitransparente en la zona Norte del complejo, con extensin de 1400 m2 de cristales fotovoltaicos los cuales abastecen parte de los gastos de iluminacin. El edificio de investigacin y desarrollo del instituto de ingeniera y construccin Kolon en Corea fue cubierto75 en su cara frontal con mdulos fotovoltaicos transparente de clulas fotovoltaicas orgnicas.

14


Figura 17. Edificio Kolon y detalle del mismo con instalacin BIPV.

Figura 18. Primera instalacin del mundo con clulas sensibilizadas con colorante en un edificio pblico de Alemania.

Tambin podemos encontrar estudios en el Fuschillo,N. Semi-Transparent Solar Collector Window Systems. Solar Energy 17, 159-165 (1975), de colectores trmicos semitransparentes que podran usarse acoplados a una solucin transparente, que segn la incidencia del sol pueden regular la polarizacin de los paneles. El uso del electrocromismo y las clulas fotovoltaicas en un solo dispositivo mediante el uso de su propia energa generada y un control de circuito el cual podra matizar las ventanas segn el tono que se le quiera dar, esta aplicacin abre muchas puertas en el campo del diseo ya que se podra jugar con las diferentes tonalidades en los edificio de manera eficiente y dinmica.

15


Figura 19. Representacin esquemtica de un sensor formado por un fotodiodo orgnico transparente sensible a la polarizacin (blanco y negro) y su aplicacin en elementos acristalados.

Hay numerosa informacin y artculos de cmo integrar las clulas solares transparentes en edificios (BIPV-Building Integrated Photovoltaics), suelen ser una recopilacin de ideas generales para arquitectos e ingenieros de cmo realizar tal integracin. Hay una gua basica con las nociones para entender saber que componentes son necesarios llevar a cabo una instalacin:

Figura 20. Diagramas elctricos de una instalacin fotovoltaica conectada a red (izq.) y aislada (der.).

Se ha investigado tambin usar mdulos fotovoltaicos con la capacidad de cambiar su transparencia con la aplicacin de la propia corriente generada.

Figura 21. Dibujo de marco fotovoltaico con partculas electrocrmicas en su modulo.

16


11.

ltimos avances en variaciones de sustratos y eficiencia de las clulas orgnicas durante 2011.

La acumulacin de polvo en la superficie de una clula solar puede bloquear la luz y disminuir la eficiencia. Investigadores de la Universidad de Standford han demostrado que las clulas solares con pequeas bvedas a escala manomtrica son capaces de captar ms luz y adems de autolimpiarse mediante un sistema de policapas. Las clulas se construyen sobre un sustrato formado por conos manomtricos. El nivel inferior est formado por una pelcula de plata de 100 nanmetros de espesor que acta como contacto elctrico y reflectante; sobre esta pelcula se intercala una capa de silicio amorfo entre capas conductoras transparentes. Aunque el sustrato es dentado, la acumulacin de capas acaba por dar forma redondeada a las bovedillas, como si fueran las estructuras en forma de pequeos hongos que los investigadores han desarrollado para obtener superficies autolimpiables. La adicin de una capa de molculas hidrofbicas convierte a las clulas en casi super-hidrofbicas: las gotitas de agua ruedan por la superficie arrastrando el polvo que se hubiera depositado.

Figura 22. Estructura microscpico.

del

sustrato

a

nivel

Estas nanobvedas, de unos 500 nanmetros de dimetro, no slo repelen el agua, tambin ayudan a captar ms luz gracias a interesantes fenmenos nanofotnicos derivados de su forma, ya que estos dispositivos combinan una eficiente reduccin de la reflexin con una mejor absorcin de un amplio rango espectral. Mientras una clula solar plana de los mismos materiales absorbe slo el 65 % de la luz (con una eficiencia total de entre el 5 y el 9%), las clulas compuestas por nanobvedas llegan hasta el 94% del espectro de luz desde el infrarrojo al ultravioleta, aunmentanto la eficiencia hasta en un 14.5%. En Nanoletters, el profesor de materiales de Stanford, Yi Cui, profesor del Department of Materials Science and Engineering de la Universidad de Stanford, y encargado de la investigacin, afirma que esta tcnica puede aplicarse a otros materiales solares con idnticas mejoras. Fuente: Foro de portal de publicacin de la Universidad de Standford.

17


12.

Conclusiones:

Otro estudio trata de unir el electrocromismo y las clulas fotovoltaicas en un solo dispositivo mediante el uso de su propia energa generada y un control de circuito el cual podra matizar las ventanas segn el tono que se le quiera dar, esta aplicacin abre muchas puertas en el campo del diseo ya que se podra jugar con las diferentes tonalidades en los edificio de manera eficiente y dinmica. Este inters puede que est motivado por un cambio en la mentalidad de las personas hacia una vida ms ecolgica y respetuosa con el medio ambiente. Dicho cambio es debido la actual preocupacin por los efectos del cambio climtico y la perspectiva de un futuro cercano donde escaseen los combustibles fsiles. Numerosos son los artculos que aportan nuevas perspectivas para conseguir este reto buscando cada una mejorar una parte del mismo. Ya sea hacer los electrodos ms transparentes, mejorar la absorcin lumnica de la mezcla polimrica de la capa activa o encontrar un proceso de fabricacin sencillo, rpido y barato. Todas tratan de aportar su grano de arena en la obtencin de clulas solares transparentes eficientes. Se pueden encontrar bastantes patentes que registran y protegen ideas entorno a este tema. Algunas oportunistas y sin mucha aclaracin del proceso de fabricacin de la misma ni los principios en que se basa el concepto mismo de transparencia que proponen. Aun as hay un gran nmero de ellas que registran ideas, usos y procesos que acertadamente o no muestran el inters en buscar soluciones fotovoltaicas transparentes. Sin embargo los mejores resultados los ha obtenido empresas privadas, cuyos rcords de eficiencia y de transparencia conseguida en sus productos no han conseguido igualarse en el mundo acadmico. Han hecho tantos avances en la materia que hay ms de una empresa capaz de ofrecer comercialmente sus productos. Que sea este sector el ms avanzado de todos puede dar una idea del potencial que han visto en las clulas solares transparentes para esforzarse tanto en su desarrollo. El principal reto para la tecnologa de estos dispositivos es el de aumentar su eficiencia, pero tambin lo es el de mejorar su estabilidad, ya que los materiales polimricos en que se basan tienden a degradarse ms que sus equivalentes inorgnicos. Adems, al mismo tiempo que se avanza en la investigacin bsica de laboratorio, es necesario desarrollar los prototipos de los procesos y las mquinas necesarios para la manufacturacin a gran escala. Hacia el ao 2015, se estima que las clulas solares orgnicas de laboratorio y las de manufacturacin industrial deben alcanzar eficiencias del 15% y el 10%, respectivamente, para poder competir con las clulas inorgnicas fabricadas con la tecnologa actual. Visto el gran inters mostrado tanto en sectores acadmicos como empresariales podemos aventurar a asegurar que en un futuro cercano se obtendrn los resultados deseados y en poco tiempo estas soluciones se convertirn accesibles y habituales. Las clulas solares transparentes ya han dejado de ser la fantasa de un visionario para estar ya casi al alcance de cualquiera que desee utilizarlas. Sin embargo, para conseguir esto todava hace falta ms investigacin para asegurar un futuro el que las ventanas fotovoltaicas sean una realidad cotidiana.

18


13. Referencias:

Chau,J.L.H., Chen,R.T., Hwang,G.L., Tsai,P.Y. & Lin,C.C. Transparent solar cell window module. Solar Energy Materials and Solar Cells 94, 588-591 (2010).

Biancardo,M. et al. Characterization of microspherical semi-transparent solar cells and modules. Solar Energy 81, 711-716 (2007). Weber,W.H. & Lambe,J. Luminescent Greenhouse Collector for Solar-Radiation. Applied Optics 15, 2299-2300 (1976). Currie,M.J., Mapel,J.K., Heidel,T.D., Goffri,S. & Baldo,M.A. High-efficiency organic solar concentrators for photovoltaics. Science 321, 226-228 (2008). Fuschillo,N. Semi-Transparent Solar Collector Window Systems. Solar Energy 17, 159-165 (1975). Prasad,D.K. & Snow,M. Examples of successful architectural integration of PV: Australia. Prog. Photovolt: Res. Appl. 12, 477-483 (2004). Pagliaro,M., Ciriminna,R. & Palmisano,G. BIPV: merging the photovoltaic with the construction industry. Progress in Photovoltaics 18, 61-72 (2010). Photovoltaics in windows. International Energy Agency, (2011). Song,J.H. et al. Power output analysis of transparent thin-film module in building integrated photovoltaic system (BIPV). Energy and Buildings 40, 2067-2075 (2008). Park,N.G. & Kim,K. Transparent solar cells based on dye-sensitized nanocrystalline semiconductors. phys. stat. sol. (a) 205, 1895-1904 (2008).

Lee,J.Y., Connor,S.T., Cui,Y. & Peumans,P. Semitransparent Organic Photovoltaic Cells with Laminated Top Electrode. Nano Letters 10, 1276-1279 (2010).

19


Documents

CÉLULAS SOLARES CON SEMICONDUCTORES ORGÁNICOS