El campo de la investigación en fotovoltaica abarca la ciencia y la tecnología de las células solares que proporcionan electricidad limpia y renovable. La importancia de la energía solar crece aceleradamente con el aumento de los precios del petróleo, y con la preocupación pública por las espantosas consecuencias ambientales de la generación de gases de efecto invernadero debido al consumo de combustibles fósiles.

Hasta ahora, los dispositivos de estado sólido de unión p-n de silicio, que se beneficiaban de la disponibilidad de la experiencia y de los materiales de la industria de semiconductores, han dominado el campo de las células fotovoltaicas. Sin embargo, hay una creciente consciencia de las posibles ventajas de los dispositivos basados en los semiconductores inorgánicos u orgánicos mesoscópicos. El prototipo de esta nueva familia fotovoltaica es la célula solar sensibilizada con colorante (dye solar cell, DSC) descubierta en 1988 enel laboratorio del profesor Michael Grätzel en EPFL, Suiza. Esta célula logra la separación de la absorción óptica y los procesos de la separación de carga por la asociación de un sensibilizador como material absorbedor de luz, con un semiconductor de ancha banda prohibida (gap) de morfología nanocristalina. Estas nuevas estrategias se desvían completamente de las células solares clásicas de uniones planas de semiconductores inorgánicos, para explorar nuevos conceptos de dispositivos fotovoltaicos basados en uniones formadas por redes interpenetradas con materiales tanto orgánicos como inorgánicos. La morfología mesoscópica produce una interfase interna de área enorme que proporciona sistemas con propiedades fotovoltaicas únicas. Pueden realizarse empleando substratos flexibles y son compatibles con una gran variedad de aspectos y realizaciones que facilitarán su entrada en el mercado, tanto para dispositivos domésticos como en aplicaciones decorativas o arquitectónicas.

Fig. 1. Michael Grätzel	Fig. 2. Módulo de células de colorante de Dyesol

La DSC ha realizado progresos enormes desde que su descubrimiento fue anunciado en la literatura científica en 1991. Las eficacias de la conversión alrededor de 11% y la excelente estabilidad que se han alcanzado, convierten este dispositivo en una alternativa muy consistente a los dispositivos convencionales de unión p-n de silicio. Para ilustrar la importancia de esta idea, hay que tener en cuenta el lanzamiento de la compañía startup Konarka en California basada en el concepto pionero de la DSC, y asimismo la producción anunciada de 30 MKW de DSC por la compañía G24i, de Gales. Así, las células solares mesoscópicas se han convertido en competidores viables para los futuros sistemas de gran escala de conversión de energía solar, sobre la base de su coste, eficiencia, estabilidad y disponibilidad, además de su compatibilidad con el medio ambiente. Según las proyecciones del fabricante de PV mayorista de Europa, pueden capturar al menos un tercio de un mercado de 250,000 millones de dólares en el año 2030. En la Fig. 3 presentamos un sumario gráfico del estado del arte de esta nueva tecnología.

Fig. 3. Principales líneas de desarrollo de las células solares mesoscópicas. Fuente: Michael Grätzel

Fig. 4. Célula flexible de colorante de Konarka

La configuración estándar de DSC, Fig. 5, se forma con una estructura de nanopartículas de TiO2 anatasa, de unos 10 nm de radio. Las nanopartículas se depositan sobre un substrato conductor (que consiste en una fina capa de óxido muy conductor transparente en soporte de vidrio ordinario) y se tratan térmicamente para lograr un buen contacto eléctrico. La matriz de TiO2 se sensibiliza al espectro visible con una monocapa de moléculas de colorante, y se llena de un electrolito redox. Se ha conseguido una eficiencia de conversión energética de luz solar de 11%, pero la producción a gran escala todavía no se ha extendido, ya que faltan por solucionar aspectos importantes como la formación de dispositivos de gran área estables y compactos como el de la Fig. 6.

Fig. 5. Esquema de una DSC. Se muestra la nanoestructura de TiO2 (esferas grises) sensibilizado con moléculas de colorante absorbidas en la superficie (en rojo), y el conductor iónico (verde y azul), y en la ampliación, los procesos electrónicos que ocurren en la interfase entre el óxido metálico y el conductor orgánico. Fuente: Michael Grätzel.

Fig. 6. Módulo de DSC de gran area de Solaronix.

Actualmente las DSC están basadas en films o capas de nanopartículas de óxidos semiconductores dispersas al azar sin presentar una ordenación determinada de largo alcance. Estas nanopartículas presentan una elevada superficie específica que es capaz de absorber luz a través del sensibilizador adsorbido sobre ellas, el cual inyecta eficazmente los electrones fotogenerados en el electrodo iluminado. Una configuración monodimensional basada en nanocolumnas, nanotubos o nanocintas debería ofrecer un transporte electrónico superior que el que se produce a través de la red desordenada de nanopartículas que se emplea en la actualidad. Por lo tanto la formación de nanoestructuras altamente ordenadas puede dar lugar a un diseño racional de la célula solar con características superiores.

Fig. 7. Nanotubos de TiO2 preparados por anodización electroquímica de una hoja de titanio. Imagen cortesía de Craig C. Grimes.

Fig. 8. Esquema de la integración de una arquitectura de nanotubos transparentes de TiO2 para formar una estructura de célula de colorante. Imagen cortesía de Craig C. Grimes.

También se han desarrollado estrategias para aumentar las eficiencias de conversión de las DSC incrementando su capacidad de recolección de fotones, especialmente en la porción de baja energía (rojo e infrarrojo cercano) del espectro solar. La adición de capas de dispersión de luz de 4-5 mm de grosor con partículas de 400 nm de TiO2, a las capas nanoestructuradas convencionales, aumenta la recolección de luz en la región espectral indicada al aumentar el camino óptico de la luz en la DSC.