La energía solar año tras años avanza a pasos agigantados la tecnología de celdas fotovoltaicas, en este caso hablaremos sobre la utilización de virus para mejorar la eficiencia de conversión de las celdas fotovoltaicas.
Los investigadores del MIT utilizan virus genéticamente modificados para producir estructuras que mejoran la eficiencia de las células solares en casi un tercio.
Los investigadores del MIT han encontrado una manera de realizar mejoras significativas en la eficiencia de conversión de energía de las células solares al contratar los servicios de pequeños virus para realizar un trabajo de ensamblaje detallado a nivel microscópico.
En una célula solar, la luz solar incide en un material que capta la luz, lo que hace que libere electrones que pueden aprovecharse para producir una corriente eléctrica. La nueva investigación del MIT, publicada en línea esta semana en la revista Nature Nanotechnology , se basa en los hallazgos de que los nanotubos de carbono (cilindros microscópicos y huecos de carbono puro) pueden mejorar la eficiencia de la recolección de electrones de la superficie de una célula solar.
Sin embargo, los intentos anteriores de usar los nanotubos se habían visto frustrados por dos problemas. Primero, la fabricación de nanotubos de carbono generalmente produce una mezcla de dos tipos, algunos de los cuales actúan como semiconductores (a veces permiten que fluya una corriente eléctrica, a veces no) o metales (que actúan como cables, permitiendo que la corriente fluya fácilmente).
La nueva investigación, por primera vez, mostró que los efectos de estos dos tipos tienden a ser diferentes, porque los nanotubos semiconductores pueden mejorar el rendimiento de las células solares, pero los metálicos tienen el efecto contrario. En segundo lugar, los nanotubos tienden a agruparse, lo que reduce su eficacia.
Y ahí es donde los virus vienen al rescate. Los estudiantes de posgrado Xiangnan Dang y Hyunjung Yi, trabajando con Angela Belcher, profesora de energía de WM Keck, y varios otros investigadores, encontraron que una versión modificada genéticamente de un virus llamado M13, que normalmente infecta a las bacterias, se puede utilizar para controlar la disposición de los nanotubos en una superficie, manteniendo los tubos separados para que no puedan cortocircuitar los circuitos y manteniendo los tubos separados para que no se agrupen.
El sistema que los investigadores probaron utilizó un tipo de célula solar conocida como células solares sensibilizadas por colorante, un tipo ligero y económico en el que la capa activa está compuesta de dióxido de titanio, en lugar del silicio utilizado en las células solares convencionales. Pero la misma técnica también podría aplicarse a otros tipos, incluidas las células solares orgánicas y de puntos cuánticos, dicen los investigadores. En sus pruebas, la adición de las estructuras creadas por virus mejoró la eficiencia de conversión de energía del 8% al 10,6%, una mejora de casi un tercio.
Esta espectacular mejora tiene lugar a pesar de que los virus y los nanotubos constituyen solo el 0,1 por ciento en peso de la célula terminada. “Un poco de biología ayuda mucho”, dice Belcher. Con más trabajo, los investigadores creen que pueden aumentar aún más la eficiencia.
Los virus se utilizan para ayudar a mejorar un paso en particular en el proceso de convertir la luz solar en electricidad. En una celda solar, el primer paso es que la energía de la luz golpee los electrones del material de la celda solar (generalmente silicio); luego, esos electrones deben canalizarse hacia un colector, desde el cual pueden formar una corriente que fluye para cargar una batería o alimentar un dispositivo.
Después de eso, regresan al material original, donde el ciclo puede comenzar nuevamente. El nuevo sistema está destinado a mejorar la eficiencia del segundo paso, ayudando a los electrones a encontrar su camino: la adición de nanotubos de carbono a la celda “proporciona un camino más directo al colector de corriente”, dice Belcher.
En realidad, los virus realizan dos funciones diferentes en este proceso. Primero, poseen proteínas cortas llamadas péptidos que pueden unirse fuertemente a los nanotubos de carbono, manteniéndolos en su lugar y manteniéndolos separados entre sí. Cada virus puede contener de cinco a 10 nanotubos, cada uno de los cuales se mantiene firmemente en su lugar mediante unas 300 moléculas de péptidos del virus.
Además, el virus fue diseñado para producir una capa de dióxido de titanio (TiO2), un ingrediente clave para las células solares sensibilizadas con colorante, sobre cada uno de los nanotubos, colocando el dióxido de titanio muy cerca de los nanotubos en forma de alambre que transportan el electrones.
Las dos funciones son llevadas a cabo sucesivamente por el mismo virus, cuya actividad es “conmutada” de una función a la siguiente al cambiar la acidez de su entorno. Esta función de conmutación es una nueva capacidad importante que se ha demostrado por primera vez en esta investigación, dice Belcher.
Además, los virus hacen que los nanotubos sean solubles en agua, lo que hace posible incorporar los nanotubos a la célula solar mediante un proceso a base de agua que funciona a temperatura ambiente.
Prashant Kamat, profesor de química y bioquímica en la Universidad de Notre Dame que ha realizado un extenso trabajo sobre células solares sensibilizadas con colorante, dice que mientras que otros han intentado utilizar nanotubos de carbono para mejorar la eficiencia de las células solares, “las mejoras observadas en estudios anteriores fueron marginales , ”Mientras que las mejoras realizadas por el equipo del MIT mediante el método de ensamblaje de virus son“ impresionantes ”.
“Es probable que el ensamblaje de la plantilla del virus haya permitido a los investigadores establecer un mejor contacto entre las nanopartículas de TiO2 y los nanotubos de carbono. Un contacto tan estrecho con las nanopartículas de TiO2 es esencial para ahuyentar los electrones fotogenerados rápidamente y transportarlos de manera eficiente a la superficie del electrodo colector ”.
Kamat cree que el proceso bien podría conducir a un producto comercial viable: “Las células solares sensibilizadas con colorante ya se han comercializado en Japón, Corea y Taiwán”, dice. Si la adición de nanotubos de carbono a través del proceso del virus puede mejorar su eficiencia, “es probable que la industria adopte tales procesos”.
Belcher y sus colegas han utilizado anteriormente versiones diseñadas de forma diferente del mismo virus para mejorar el rendimiento de las baterías y otros dispositivos, pero el método utilizado para mejorar el rendimiento de las células solares es bastante diferente, dice.
Debido a que el proceso solo agregaría un paso simple a un proceso de fabricación de células solares estándar, debería ser bastante fácil adaptar las instalaciones de producción existentes y, por lo tanto, debería ser posible implementarlo con relativa rapidez, dice Belcher.
El equipo de investigación también incluyó a Paula Hammond, profesora de Ingeniería Química de Bayer; Michael Strano, Profesor Asociado de Ingeniería Química de Charles (1951) e Hilda Roddey; y otros cuatro estudiantes graduados e investigadores postdoctorales. El trabajo fue financiado por la empresa italiana Eni, a través del Programa Solar Futures de MIT Energy Initiative.