El papel del grafito en los dispositivos fotovoltaicos
Las tecnologías fotovoltaicas de próxima-generación necesitan materiales de electrodos que combinen alta conductividad eléctrica, estabilidad química, bajo costo y compatibilidad con la fabricación a gran-escala. El grafito y otros materiales a base de carbono-cumplen esa combinación en varios tipos de dispositivos, sobre todo en células solares sensibilizadas por tinte-(DSSC) y células solares de perovskita, donde sirven como contraelectrodos, electrodos posteriores o capas conductoras y reducen la dependencia del platino y el oro.
Alta conductividad eléctrica y transferencia de carga eficiente
Un electrodo de grafito recoge electrones, reduce la resistencia en serie y mejora el transporte de carga entre las capas del dispositivo. En una celda sensibilizada con tinte-, el contraelectrodo de grafito cataliza la reducción de iones tri-yoduro en el electrolito, cerrando el ciclo de transferencia de electrones para que la celda pueda continuar funcionando. En una celda de perovskita, un electrodo posterior de grafito extrae la carga de la capa de perovskita y, debido a que es químicamente inerte frente a la química de los haluros, también mejora la estabilidad del dispositivo terminado.
Estructura de costos y compatibilidad con la fabricación escalable
El platino y el oro son los materiales tradicionales de contraelectrodo en las células sensibilizadas con tinte-y su costo es una barrera para la producción comercial. El grafito cambia ese cálculo y también es adecuado para los métodos de deposición que ya se utilizan en las líneas de módulos: serigrafía, recubrimiento, deposición y laminación basadas en tinta-.
Módulos fotovoltaicos-de gran superficie construidos sobre capas de carbono impresas.
Células solares flexibles sobre sustratos de polímero o láminas metálicas.
Sistemas de energía solar-de bajo coste para generación distribuida.
Producción a escala-comercial con pasos de proceso sencillos y repetibles.
Estabilidad química y electroquímica
Una larga vida útil es un requisito central para los electrodos de células solares. El grafito resiste la degradación química y mantiene su rendimiento en condiciones de funcionamiento fotovoltaico. En células sensibilizadas con colorante-es compatible con el sistema de electrolitos de yoduro y tri-yoduro y muestra una buena actividad catalítica para la reacción de reducción de tri-yoduro. En los dispositivos de perovskita, los electrodos de carbono limitan los problemas asociados con la corrosión de los electrodos metálicos, la sensibilidad a la humedad y la migración de iones, todo lo cual acorta la vida útil de las celdas construidas sobre contactos metálicos.
Aplicaciones de las tecnologías de células solares
| Propiedad | Ventaja en el dispositivo. |
|---|---|
| Alta conductividad | Recolección de carga eficiente y menor resistencia en serie |
| Bajo costo de material | Reducción del gasto en material de electrodo frente a metales nobles. |
| Estabilidad química | Mejor funcionamiento-a largo plazo y degradación más lenta |
| Compatibilidad de impresión | Adecuado para la fabricación de módulos escalables |
| Estructura basada en carbono- | Una opción de material sostenible y ampliamente disponible |
En las células solares-sensibilizadas con tinte, la capa de grafito o carbono actúa como contraelectrodo: cataliza la reacción redox del electrolito, recoge electrones y reemplaza al platino, lo que reduce el coste de la célula. En las células solares de perovskita, el grafito se utiliza como electrodo posterior que ofrece buena conductividad, estabilidad química mejorada, compatibilidad con una fabricación de bajo-costo y una ruta hacia módulos de gran-área.
Perspectivas para los electrodos de carbono en la energía fotovoltaica
La industria fotovoltaica continúa avanzando hacia materiales más asequibles, más fáciles de fabricar, más estables en su funcionamiento y mejor adaptados a la producción en masa. Los electrodos de grafito satisfacen cada uno de esos requisitos, lo que los convierte en una opción práctica para arquitecturas de dispositivos emergentes y sensibles a los costos-y un área activa de desarrollo tanto para celdas de laboratorio como para módulos impresos. Se utilizan diferentes grados, tamaños de partículas y sistemas aglutinantes según el método de deposición y la conductividad objetivo, por lo que la selección del electrodo normalmente se realiza junto con el proceso del dispositivo.
Preguntas frecuentes
P: ¿Por qué se utiliza el grafito como electrodo en las células solares?
Combina una alta conductividad eléctrica con estabilidad química y bajo costo, y puede depositarse mediante los métodos de impresión y recubrimiento que ya se utilizan en la producción de módulos.
P: ¿Qué tipos de células solares utilizan electrodos de grafito?
Las células solares-sensibilizadas con tinte utilizan contraelectrodos de grafito y las células solares de perovskita utilizan electrodos posteriores de grafito o carbono; Se están desarrollando otros dispositivos basados en carbono-.
P: ¿Puede el grafito reemplazar al platino en las células solares-sensibilizadas con tinte?
En muchos diseños de celdas, un contraelectrodo de grafito o carbono reemplaza al platino y aún cataliza la reacción de reducción de tri-yoduro, lo que reduce el costo del material del dispositivo.
P: ¿Cómo mejora un electrodo de carbono la estabilidad de la perovskita?
Al ser químicamente inerte, evita la corrosión, la sensibilidad a la humedad y los problemas de migración de iones asociados con los contactos traseros metálicos, por lo que el dispositivo se degrada más lentamente durante el funcionamiento.
P: ¿Es el grafito lo suficientemente conductor para los electrodos de células solares?
Sí para tareas de contador y electrodo posterior. La conductividad se ajusta a través del grado de grafito, el tamaño de las partículas y el espesor de la capa para que coincida con los requisitos de recolección actuales de la celda.
P: ¿Cómo se aplican los electrodos de grafito en la producción?
Se utilizan serigrafía, recubrimiento, deposición-de tinta y laminación, todo lo cual se adapta a superficies grandes-y sustratos flexibles en un proceso continuo.