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Solar Energy Conversion in Molecular Multi-Junctions

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Las celdas fotovoltaicas orgánicas podrían transformar el almacenamiento de energía renovable

La búsqueda para desarrollar un combustible limpio a partir de tan solo de agua, luz solar y dióxido de carbono y utilizarlo para almacenar energía renovable ha dado un nuevo y sorprendente giro. Uno equipo de científicos financiado con fondos europeos han logrado sintetizar por primera vez materiales orgánicos que pueden transformar la energía solar en combustible de hidrógeno de una manera más eficiente.

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A pesar del potencial de las tecnologías solares para reducir las emisiones de carbono, almacenar la energía que producen representa uno de los principales obstáculos para la adopción de esta energía renovable. Algunos de los primeros planteamientos coherentes para almacenar la energía de la luz solar en los enlaces químicos de las moléculas, al igual que el hidrógeno molecular, ya están tomando forma. El almacenamiento de hidrógeno es posible gracias a unos dispositivos denominados electrolizadores, que emplean electricidad (idealmente de la energía solar) y escinden el agua en oxígeno e hidrógeno, dando lugar a un combustible sin carbono. Un segundo conjunto de dispositivos denominados pilas de combustible pueden convertir después ese hidrógeno en electricidad para alimentar vehículos o para volcarla a la red.

La fotosíntesis artificial puesta en práctica

Los investigadores del proyecto TripleSolar, financiado con fondos europeos a través de una subvención del Consejo Europeo de Investigación (CEI), demostraron un dispositivo de unión múltiple viable, compuesto por tres celdas fotovoltaicas independientes dispuestas en capas, que saca la fotólisis de agua con luz solar del laboratorio para emplearla en aplicaciones prácticas. En primer lugar, el equipo del proyecto probó una hoja artificial fabricada con materiales orgánicos que convierte la luz solar en hidrógeno con una eficiencia cercana al 5,5 %. Además de la eficiencia récord en la disociación del agua, lo que diferencia a esta hoja artificial de otros intentos de producir hidrógeno utilizando la luz solar es que utiliza materiales de bajo coste y fácilmente disponibles. «Nuestra nueva hoja artificial orgánica constituye un paso adelante en el desarrollo de tecnologías energéticas más reales y sostenibles para las generaciones venideras. Transformar la luz solar en cargas eléctricas y almacenar la energía inmediatamente ayudará a resolver el problema del suministro irregular de energía renovable intermitente en el futuro», señala René Janssen, beneficiario de la subvención del CEI e investigador principal. Es más, TripleSolar demostró junto a las celdas fotovoltaicas de triple unión, la primera celda fotovoltaica orgánica de cuádruple unión fabricada con cuatro materiales semiconductores orgánicos. La eficiencia de conversión energética de las celdas fotovoltaicas orgánicas de triple y cuádruple unión superó el 10 % y el 7,5 %, respectivamente.

Nuevos conocimientos sobre el mecanismo de fotoconversión

Las celdas fotovoltaicas orgánicas son una de las tecnologías de conversión energética más prometedoras. Gracias a la abundancia de materias primas, los bajos costes de producción, el peso ligero y la fabricación flexible y a gran escala, podrían convertirse en una alternativa viable a las celdas fotovoltaicas convencionales con sustratos de silicio. Las celdas fotovoltaicas orgánicas actuales pueden alcanzar eficiencias superiores al 15 %. El diseño de las celdas fotovoltaicas de unión múltiple puede aumentar aún más esta eficiencia a más del 20 %. Lograr estas tasas de eficiencia tan altas constituye un gran reto que requiere llevar cada paso del proceso de conversión a sus límites intrínsecos para reducir sustancialmente las pérdidas de energía. TripleSolar investigó y diseñó nuevas moléculas y polímeros orgánicos funcionales para emplearlos en dispositivos de celda fotovoltaica de unión múltiple. «Nuestra investigación se centró en dilucidar los detalles mecánicos del proceso de fotoconversión (como el excitón y el transporte de carga). Este nuevo conocimiento favoreció el diseño de materiales que convierten la luz solar en electricidad y almacenan la energía generada en moléculas como el hidrógeno de manera más eficiente», explica Janssen. A diferencia de las celdas fotovoltaicas de unión simple, las de unión múltiple generan un alto potencial químico que permite la disociación del agua en hidrógeno y oxígeno. Los investigadores del proyecto corroboraron la eficacia de los dispositivos de conversión de energía solar en electricidad, de energía solar en hidrógeno y de energía solar en monóxido de carbono a través del estudio de los mecanismos que controlan la estructura tridimensional a nanoescala y las propiedades electrónicas de las capas absorbentes. «La eficiencia lograda con nuestras celdas fotovoltaicas orgánicas de unión múltiple sigue siendo inferior a la de sus contrapartes inorgánicas, que se sitúan en torno al 20 %. Nuevas investigaciones mejorarán la tecnología de celda fotovoltaica orgánica en términos de eficiencia, estabilidad y coste, lo que en último término ayudará a ponerla en práctica a gran escala», concluye Janssen.

Palabras clave

TripleSolar, hidrógeno, celda fotovoltaica orgánica, energía renovable, unión múltiple, hoja artificial, almacenamiento de energía

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