Clasificación de baterías solares - baterías solares de tercera generación
1. Baterías solares sensibilizadas por colorante
Las DSSC son una clase de baterías que simulan el principio de la fotosíntesis de las plantas verdes para convertir la energía solar en electricidad. Las DSSC líquidas están compuestas principalmente por fotoánodo, electrolito líquido y fotocátodo. El fotoánodo consiste principalmente en preparar una capa de película semiconductor porosa sobre el material del sustrato conductor y adherir una capa de colorante fotosensibilizador; el fotocátodo consiste en preparar una capa de material catalítico que contiene platino o carbono sobre el sustrato conductor. En el fotoánodo, el material del electrodo es principalmente TiO2. Cuando se adhiere una capa de colorante fotosensibilizador con buenas propiedades de absorción de luz en la superficie del TiO2, el estado fundamental del colorante absorbe luz y pasa a un estado excitado, y luego el colorante excitado inyecta electrones en la banda de conducción del TiO2. Se completa la separación de los portadores y se transmite al electrodo contrario a través del circuito externo. El 3- en la solución electrolítica recibe electrones en el electrodo contrario y se reduce a I-, y el colorante oxidado tras la inyección de electrones vuelve a su estado fundamental gracias a I-. El I- se oxida a I3-, completando así todo el ciclo.
Las DSSC tienen las ventajas de una síntesis sencilla y una amplia variedad de materiales, pero la mayoría usan electrolitos líquidos, que son propensos a la corrosión del electrodo, fugas de electrolito y mala estabilidad de la batería. Para resolver estos problemas, los investigadores han avanzado en el desarrollo de sensibilizadores orgánicos puros y DSSC en estado sólido. En las DSSC, la dificultad para mejorar la eficiencia radica en que los sensibilizadores de colorante existentes no pueden utilizar eficazmente los fotones infrarrojos, lo que resulta en baja eficiencia de absorción de luz. Por ello, el enfoque futuro será desarrollar sensibilizadores de colorante eficientes, estables, económicos y no basados en rutenio que respondan a la luz cercana al infrarrojo. Además, mejorar la capacidad de transporte de electrones dentro de la batería, preparar electrolitos sólidos de alta eficiencia y durabilidad, encontrar electrodos contrarios económicos sin platino y mejorar la vida útil general de la batería también son de gran importancia para la promoción de las DSSC.
2. Baterías solares de perovskita
El auge de las PSC proviene del desarrollo de las DSSC, la diferencia es que las PSC usan materiales híbridos orgánico/inorgánicos tipo perovskita en lugar de moléculas orgánicas de colorante como materiales absorbentes de luz. Las PSC están compuestas por una capa densa de nanocristales, una capa activa de perovskita ABX3 (X=Cl-, Br-, I-), una capa de transporte de huecos y un electrodo contrario. La capa absorbente ABX3 tiene una estructura tridimensional típica. A representa un ion amonio orgánico (CH3NH3+) que ocupa el centro de un cuboctaedro; B representa un catión metálico que puede coordinarse para formar un octaedro, como Pb+, Nb+, Ti4+, Fe3+, etc.; X representa un anión que puede coordinar con B para formar un octaedro, generalmente Cl-, Br-, I- y otros halógenos. Los octaedros halógenos en este tipo de material perovskita están conectados en co-top para formar una estructura de red tridimensional estable. Los métodos de preparación de materiales perovskita incluyen principalmente método en solución, coevaporación, método asistido por gas en solución y método de intercambio intramolecular.
Desde la introducción de las PSC, la eficiencia de conversión fotoeléctrica ha aumentado casi linealmente, mostrando el gran potencial de estas baterías solares. A pesar de la alta eficiencia de las PSC, su estabilidad es extremadamente pobre. Por ello, los científicos buscan diversas formas de resolver el problema de estabilidad. La superficie del dispositivo PSC se recubre con una capa de polímero fotosensible fluorinado mediante polimerización radicalaria inducida por luz a temperatura ambiente. Esta capa multifuncional dota a la parte frontal del dispositivo PSC de propiedades autolimpiantes y luminiscentes, y asegura que la parte trasera tenga propiedades superhidrofóbicas, evitando que la superficie del dispositivo PSC se vea afectada por la humedad del aire. Bajo luz visible, el fotopolímero reemite luz UV, haciendo que las PSC alcancen hasta un 19% de eficiencia bajo iluminación estándar. Se realizaron pruebas durante 6 meses en condiciones de ambiente aéreo e influencia fotoquímica, y los resultados mostraron que las propiedades fotoeléctricas de las PSC se mantuvieron bien en todos los aspectos, indicando que el rendimiento de este tipo de baterías solares mejora de forma constante. Por lo tanto, el trabajo futuro debe estandarizar las normas de funcionamiento de este tipo de baterías, como especificaciones de estabilidad, normas de pruebas de envejecimiento, etc. Con el avance tecnológico, las PSC podrían superar a las baterías solares de película delgada y convertirse en una novedad en la industria fotovoltaica.
3. Baterías solares de puntos cuánticos
Los puntos cuánticos son nanomateriales cero-dimensionales, lo que significa que las tres dimensiones de los puntos cuánticos son menores que la longitud de onda de Broglie de los excitones en materiales a granel. El movimiento de sus electrones internos está restringido en todas las direcciones, es decir, el efecto de confinamiento cuántico es especialmente pronunciado. En comparación con los materiales a granel tradicionales, la ventaja de los puntos cuánticos es que, mediante el efecto de túnel resonante, pueden mejorar la tasa de recolección de portadores fotogenerados en la batería, aumentando así la corriente; ajustando el tamaño y la forma de los puntos cuánticos, se optimiza el nivel energético y la correspondencia con el espectro solar, incrementando la tasa de absorción de luz. Algunos puntos cuánticos (como PbSe) pueden absorber un fotón de alta energía para generar múltiples pares electrón-hueco, es decir, el efecto multiexcitón. La eficiencia teórica predicha para las QDSC de unión simple puede alcanzar el 44%, superando ampliamente el límite de Shockley-Queisser de las baterías solares de silicio.
Desde su creación, los puntos cuánticos han mostrado sus ventajas únicas, como amplia variedad de materiales, bandas prohibidas ajustables y alta eficiencia de conversión fotoeléctrica, lo que indica que las QDSC tienen gran potencial. Sin embargo, debido a que este tipo de baterías involucra el campo a escala microscópica, el proceso de fabricación y los requisitos son relativamente altos, y el principio de transporte electrónico interno aún está en estudio, lo que resulta en una eficiencia mucho menor que otros tipos de baterías. Pero este tipo de baterías tiene un potencial incomparable frente a otras. Para estas baterías solares, la investigación actual se centra principalmente en la selección de materiales, optimización del dispositivo y el mecanismo de transporte electrónico interno para mejorar la eficiencia y estabilidad de las QDSC.
Tras más de medio siglo de desarrollo y mejora, las baterías solares de silicio cristalino tienen alta eficiencia y estabilidad. Durante mucho tiempo seguirán dominando la industria fotovoltaica solar. El enfoque futuro es principalmente simplificar el proceso de fabricación de baterías solares y reducir el costo de producción para facilitar la promoción de las baterías solares de silicio cristalino. Al mismo tiempo, los científicos han desarrollado diversas baterías solares de película delgada, como las de GaAs, CdTe, CTGS, entre otras. En comparación con las baterías solares de silicio cristalino, el costo de producción de las de película delgada es mucho menor y su eficiencia se acerca cada vez más a la del silicio cristalino. Sin embargo, la mayoría de las baterías solares de película delgada contienen elementos raros o tóxicos, lo que genera problemas de seguridad. El módulo químico comercial aún necesita ser corregido e inspeccionado, por lo que el trabajo futuro debe mejorar los procesos (como el dopaje), aumentar la eficiencia, reducir costos y mejorar la estabilidad. En comparación con los dos tipos anteriores, las baterías solares de tercera generación tienen mayores perspectivas de aplicación y potencial de desarrollo, pero debido a su implicación en el campo microscópico, el proceso de fabricación y los requisitos son más complejos, y el mecanismo de transporte de carga en la interfaz necesita ser explorado más a fondo.
