Evaluación de las propiedades fotovoltaicas de una celda solar flexible sensibilizada por colorante fabricada a base de grafeno y organismos fotosintéticos

Abstract

Durante las últimas décadas, la creciente escasez de combustibles fósiles y los problemas ambientales asociados a su consumo han impulsado la búsqueda de fuentes de energía alternativas, incluyendo la energía solar fotovoltaica. Las celdas solares sensibilizadas por colorante se presentan como una solución prometedora, permitiendo la funcionalidad de este tipo de energía mediante la utilización de dispositivos fabricados con materiales de bajo costo y rápida recuperación de inversión. Estas celdas replican los procesos de conversión de energía solar presentes en organismos fotosintéticos. A pesar de los esfuerzos continuos por mejorar su rendimiento y eficiencia mediante variaciones en su diseño y métodos de fabricación, es crucial explorar la posibilidad de reemplazar los colorantes artificiales por complejos biológicos captadores de luz. Además, es de vital importancia el desarrollo de los componentes de estas celdas, mejorando sus propiedades ópticas y eléctricas a través de la incorporación de materiales como el grafeno, que pueden ser funcionalizados química o biológicamente. Estas mejoras, junto con la introducción de materiales poliméricos, pueden expandir su rango de aplicación y prolongar su vida útil, superando las limitaciones actuales de implementación fuera del entorno de laboratorio.

Este trabajo logró la producción de dispositivos híbridos de celdas solares flexibles sensibilizadas por colorante, utilizando técnicas de fabricación de bajo costo. Se integraron materiales multifuncionales, como el grafeno y el óxido de indio-estaño, mejorando la eficacia de conversión energética de las celdas. Además, se utilizaron materiales poliméricos para los substratos, y la fabricación de la capa activa se basó principalmente en el uso del complejo fotosintético número 4 del alga Chlamydomonas reinhardtii, expresado heterologamente en Escherichia coli. Se evaluó la fotocorriente de los dispositivos fabricados, permitiendo la comparación de resultados para cada uno de ellos con relación a las variantes de su diseño, los materiales incluidos en cada tipo de estructura y las técnicas de fabricación empleadas. Finalmente, los resultados indican que los dispositivos fabricados logran una mejora significativa en la capacidad de conversión de energía, en comparación con dispositivos similares utilizados como base para este trabajo.

During the last few decades, the growing scarcity of fossil fuels and the environmental problems associated with their consumption have driven the search for alternative energy sources, including photovoltaic solar energy [1]. Dyesensitized solar cells have emerged as a promising solution, enabling the functionality of this type of energy through the use of devices made from low-cost materials with a rapid return on investment. These cells replicate the solar energy conversion processes found in photosynthetic organisms [2]. Despite continuous efforts to improve their performance and efficiency through variations in design and manufacturing methods, it is crucial to explore the possibility of replacing artificial dyes with light-harvesting biological complexes [3]. Furthermore, the development of the components of these cells, improving their optical and electrical properties through the incorporation of materials such as graphene that can be chemically or biologically functionalized, is of vital importance [4]. These improvements, along with the introduction of polymeric materials, can expand their range of applications and prolong their lifespan, surpassing the current limitations of implementation outside the laboratory environment. This work achieved the production of hybrid flexible dye-sensitized solar cell devices using low-cost manufacturing techniques. Multifunctional materials, such as graphene and indium tin oxide, were integrated, improving the energy conversion efficiency of the cells. Additionally, polymeric materials were used for the substrates, and the fabrication of the active layer was primarily based on the use of photosynthetic complex number 4 from the alga Chlamydomonas reinhardtii, heterologously expressed in Escherichia coli [4]. The photocurrent of the fabricated devices was evaluated, allowing for the comparison of results for each of them in relation to the variants of their design, the materials included in each type of structure, and the manufacturing techniques employed. Finally, the results indicate that the fabricated devices achieve a significant improvement in energy conversion capacity compared to similar devices used as a basis for this work