Evaluation of the electrical conversion potential of organic dyes obtained from Beta vulgaris (beetroot) for their application in Grätzel Solar Cells

José Sabás Segura, Instituto Tecnológico Superior de Abasolo

Paola Victoria Beltrán Mendiola, Instituto Tecnológico Superior de Abasolo

María Rico Martínez, Instituto Tecnológico Superior de Abasolo

Omar Daniel Corral García, Instituto Tecnológico Superior de Abasolo

Resumen

El presente artículo se enfoca en darle una posible solución a la problemática de los desechos de paneles solares y por tanto abre como una posibilidad la implementación de las celdas solares sensibilizadas por colorantes de betabel como una solución sostenible. Estas celdas convierten la luz solar en electricidad y se destacan por su flexibilidad, bajo costo y respeto al medio ambiente. El proceso de fabricación involucra la extracción de colorantes de betabel mediante soluciones como NaOH, metanol y éter, y luego se incorporan en las celdas para absorber la luz y generar electricidad.

Este trabajo destaca la importancia de abordar la problemática de los desechos de paneles solares y presenta las celdas solares sensibilizadas por colorantes de betabel como una alternativa prometedora. Describe el proceso de extracción y fabricación de estas celdas, analiza sus resultados y los compara con investigaciones previas. A pesar de los desafíos actuales, se resalta el potencial de estas celdas para contribuir a la generación de energía limpia y sostenible en el futuro.

El estudio presenta los resultados de pruebas con diferentes tintes de betabel y compara estos datos con investigaciones anteriores. Aunque las celdas solares sensibilizadas por colorantes de betabel muestran un rendimiento todavía bajo, se reconoce su potencial para la generación de electricidad a partir de recursos naturales y sostenibles. Las curvas I-V (corriente-voltaje) ilustran la relación entre corriente y voltaje en las celdas y se discuten parámetros como el factor de llenado (FF) y la eficiencia de conversión (ƞ).

Abstract.

This article focuses on giving a possible solution to the problem of solar panel waste and therefore opens as a possibility the implementation of solar cells sensitized by beet dyes as a sustainable solution. These cells convert sunlight into electricity and stand out for their flexibility, low cost and respect for the environment. The manufacturing process involves extracting beet dyes from solutions such as NaOH, methanol and ether, and then incorporating them into cells to absorb light and generate electricity.

This paper highlights the importance of addressing the issue of solar panel waste and presents beet dye-sensitized solar cells as a promising alternative. It describes the extraction and manufacturing process of these cells, analyzes its results and compares them with previous research. Despite the current challenges, the potential of these cells to contribute to the generation of clean and sustainable energy in the future is highlighted.

The study presents the results of tests with different beet dyes and compares this data with previous research. Although solar cells sensitized by beet dyes still show low performance, their potential for generating electricity from natural and sustainable resources is recognized. I-V (current-voltage) curves illustrate the relationship between current and voltage in cells and parameters such as fill factor (FF) and conversion efficiency (ƞ) are discussed.

Introducción:

De acuerdo con un análisis del NREL (Laboratorio Nacional de Energía Renovable), se advierte que para el año 2030, aproximadamente 8 millones de toneladas de paneles solares podrían llegar a los vertederos, representando el 10% de la basura electrónica mundial. En este estudio realizado por el NREL, expresan su preocupación por la posible filtración de los químicos contenidos en los paneles solares, debido a la falta de protocolos para el manejo de este tipo de residuos (Barbosa García, y otros, 2012).

Algunas fundaciones, como EIT InnoEnergy, así como UNEF, mencionan que los paneles presentan altas tasas de reciclado en comparación con otros residuos eléctricos. Sin embargo, en su mayoría, los centros de reciclaje rompen y manejan mal los paneles, lo cual es un obstáculo para la recuperación de materiales críticos [2]. A pesar de la perspectiva anterior, la energía solar es una de las tecnologías más desarrolladas en los últimos años. Se ha cuestionado la eficiencia, durabilidad, costos y toxicidad de los materiales y debido a este interés en seguir evolucionando es que se han desarrollado celdas solares sensibilizadas por colorantes, propuesta por Grätzel en 1991. Estas celdas solares se consideran, hasta el momento, como una de las celdas solares más baratas y menos tóxicas gracias a los materiales utilizados (Hurtado & Rojas, 2017).

Estas celdas solares de tercera generación, también conocidas como celdas solares orgánicas, son dispositivos fotovoltaicos que utilizan materiales orgánicos para convertir la luz solar en electricidad. Ofrecen una alternativa prometedora a las celdas solares convencionales de silicio debido a su flexibilidad, ligereza, bajo costo de producción y la posibilidad de fabricarlas en grandes áreas mediante técnicas de impresión (Barbosa García, y otros, 2012).

La importancia del desarrollo de celdas orgánicas radica en su potencial para revolucionar el campo de la energía renovable. A medida que la humanidad se enfrenta a desafíos ambientales y buscamos reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles, es crucial buscar fuentes de energía limpia y sostenible. Las células solares orgánicas ofrecen una solución prometedora al proporcionar una forma rentable de aprovechar la energía solar.

La flexibilidad de las celdas solares orgánicas les permite adaptarse a una amplia gama de aplicaciones, desde dispositivos electrónicos portátiles hasta grandes superficies de generación de energía en edificios y vehículos (Wilimek, 2023). Además, la fabricación de estas células solares implica procesos más simples y económicos en comparación con las células solares tradicionales, lo que puede llevar a una reducción significativa en los costos de producción y, en última instancia, a una mayor accesibilidad para el público en general.

La fabricación de celdas solares a base de tintes orgánicos derivados de remolacha es un enfoque innovador en el campo de la energía solar. Estas celdas solares utilizan colorantes naturales extraídos de frutas y vegetales para absorber la luz solar y generar electricidad de manera eficiente.

En este proceso, se emplearon tres métodos diferentes para extraer los colorantes de la remolacha, respectivamente. Cada método utilizó una solución específica para obtener los pigmentos necesarios. El primer método involucró el uso de NaOH (hidróxido de sodio) como una solución alcalina para extraer los colorantes. Esta solución alcalina ayuda a romper las células de la fruta y liberar los pigmentos naturales presentes en ella. Por otro lado, el metanol es un solvente orgánico que tiene la capacidad de disolver los pigmentos de manera efectiva; al sumergir los diferentes elementos orgánicos, fue posible obtener los colorantes necesarios para las celdas solares. Y finalmente, el éter es un solvente volátil que tiene la capacidad de extraer los pigmentos presentes. Este método permitió obtener los colorantes específicos requeridos para la fabricación de las celdas solares.

Una vez extraídos los colorantes, se incorporaron en la estructura de las celdas solares, generalmente en forma de tintes orgánicos sensibilizadores. Estos tintes son capaces de absorber diferentes longitudes de onda de la luz solar y convertirlas en corriente eléctrica. En el presente trabajo se desarrollaron y evaluaron las características eléctricas. La utilización de tintes orgánicos extraídos de remolacha ofrece varias ventajas. En primer lugar, son fuentes renovables y sostenibles, lo que las hace más respetuosas con el medio ambiente en comparación con los colorantes sintéticos. Además, al ser pigmentos naturales, pueden proporcionar una amplia gama de colores, lo que permite una mayor personalización y estética en la fabricación de las celdas solares.

Fundamentos teóricos:

La celda solar sensibilizada por colorante (DSSC) es un dispositivo fotovoltaico semiconductor que convierte directamente la radiación solar en corriente eléctrica. El principio de funcionamiento de la DSSC se muestra en la figura 1 (Vera-Davila, Delgado-Ariza, & Sepulveda-Mora, 2018). El sistema consta de los siguientes componentes:

1. Se emplea un ánodo transparente compuesto por una lámina de vidrio recubierta con una capa de óxido de indio-estaño, que actúa como conductor transparente.
2. En el ánodo, se deposita una capa de óxido mesoporoso (TiO2) con el fin de facilitar la conducción electrónica.
3. Para mejorar la absorción de luz, se utiliza un colorante de transferencia de carga monocapa que se enlaza covalentemente a la superficie de la capa de óxido mesoporoso.
4. El electrolito contiene un mediador redox en un regenerador de colorantes orgánicos, con efecto disolvente.
5. El cátodo se fabrica mediante una lámina de vidrio cubierta con un catalizador.

Cuando se expone a la luz solar, el sensibilizador de tinte se excita a partir de moléculas para recoger la luz incidente. Esto inyecta un electrón en la banda de conducción. Los electrones generados se difunden hacia el ánodo y se utilizan en la carga externa antes de ser recogidos por el electrolito en la superficie del cátodo para completar el ciclo.

Figura 1. Diagrama esquemático de la célula solar sensibilizada por colorante (Gong, Liang, & Sumathy, 2012).

Con el objetivo de mejorar la conductividad eléctrica y la transmisión de luz, se emplea vidrio conductor transparente como sustrato. El tipo principal de vidrio conductor es el óxido de estaño dopado con óxido de indio estaño (ITO) (Urcuyo, González-Flores, & Cordero-Solano, 2021). La elección del tipo adecuado a veces puede ser ambigua debido a la diversidad de configuraciones y materiales de celda.

El electrodo semiconductor generalmente consiste en una capa de dióxido de titanio nanocristalino (TiO2), una película delgada depositada sobre el vidrio conductor con un grosor aproximado de 5 a 30 milímetros. Esta capa desempeña un papel crucial tanto en la disociación de excitones como en el proceso de transferencia de electrones (Gong, Liang, & Sumathy, 2012).

La porosidad y morfología de la capa de TiO2 son factores determinantes que influyen en la cantidad de moléculas de tinte absorbidas en su superficie, creando así una amplia área de sitios de reacción para el tinte monocapa. Esto proporciona una gran oportunidad para mejorar el rendimiento del sistema (Gong, Liang, & Sumathy, 2012). Las moléculas de tinte deseables deben cumplir ciertos criterios, como la coincidencia con el espectro solar, la estabilidad operativa a largo plazo y el injerto firme en la superficie del semiconductor. Además, su potencial redox debería ser lo suficientemente alto para facilitar la reacción de regeneración con un mediador redox (Wilimek, 2023).

A medida que se incrementa el voltaje aplicado a la celda solar, la corriente generada también aumenta inicialmente, ya que la energía de la luz solar se convierte en corriente eléctrica. Esta región se conoce como el punto de máxima potencia (MPP) de la celda solar, donde se logra la máxima eficiencia de conversión.

La curva corriente-voltaje (I-V) en las celdas solares representa gráficamente la relación entre la corriente eléctrica generada por la celda solar y el voltaje aplicado a través de ella. Esta representación es esencial para comprender el rendimiento y las características de una celda solar en distintas condiciones de operación (Granda Gutierrez, y otros, 2013). En la curva I-V de una celda solar, el eje horizontal indica el voltaje aplicado a la celda, mientras que el eje vertical muestra la corriente generada por la misma, como se observa en la Figura 2 (Gong, Liang, & Sumathy, 2012).

A medida que el voltaje aumenta, la corriente empieza a disminuir gradualmente debido a la resistencia interna de la celda solar y a la reducción de la eficiencia de conversión, alcanzando límites físicos. En este punto, la curva I-V se acerca al eje vertical y llega al voltaje de circuito abierto (Voc), donde la corriente se aproxima a cero (Segura, Belmonte, Morales , & Somolinos, 2023).

Por otro lado, si se reduce el voltaje aplicado a la celda solar, la corriente generada también disminuye. Llega un punto en el que la corriente se acerca a cero, y se alcanza el voltaje de cortocircuito (Isc), donde la corriente es máxima y no hay diferencia de potencial a través de la celda solar (Barbosa García, y otros, 2012). Además de los puntos de máxima potencia (MPP), VOC e ISC, la curva I-V proporciona información sobre otros parámetros cruciales, como la eficiencia de la celda solar, su resistencia interna y su capacidad para funcionar en diversas condiciones de iluminación y temperatura (Wilimek, 2023).

Por lo tanto, la curva corriente-voltaje de las celdas solares representa la relación entre la corriente generada y el voltaje aplicado. Esta curva ofrece una visión del comportamiento de la celda solar en diversas condiciones y permite identificar el punto de máxima potencia, así como otros parámetros fundamentales para evaluar su rendimiento (Segura, Belmonte, Morales , & Somolinos, 2023). Para evaluar las celdas solares, se deben tener en cuenta cuatro puntos cruciales:

Voltaje en circuito abierto (Voc): Este parámetro representa el voltaje máximo que la celda solar puede alcanzar cuando no hay una carga conectada.

Corriente fotogenerada en cortocircuito (Isc): Es la corriente máxima que puede proporcionar la celda solar cuando se cortocircuita, es decir, cuando no hay diferencia de potencial a través de la celda.

Factor de forma (FF): Este factor refleja la eficiencia de la celda solar y se calcula considerando la relación entre la potencia máxima de salida y la potencia teórica máxima.

Eficiencia de conversión (ƞ): La eficiencia general de la celda solar, que se mide en términos de la cantidad de energía solar convertida en electricidad en comparación con la energía solar incidente.

Cada uno de estos parámetros puede observarse en las curvas de voltaje-corriente, como se muestra en la figura 2. Estas gráficas son utilizadas para demostrar el rendimiento y eficiencia de las celdas solares.

Figura 2. Parámetros de rendimiento y eficiencia de una celda solar (Wilimek, 2023).

Materiales y métodos:

Se realizaron extracciones de colorantes utilizando tres soluciones distintas para cada tipo de fruto, lo que resultó en un total de nueve tintes diferentes con las siguientes soluciones: NaOH al 5%, Metanol al 42%, y Éter al 42%. Las combinaciones obtenidas fueron las siguientes: Betabel-NaOH, Betabel-Éter y Betabel-Metanol.

El proceso de extracción de colorantes se llevó a cabo de la siguiente manera: primero, se trituró el cuerpo fructífero de la materia prima, como se observa en la Figura 3. Luego, se procedió a la maceración de cada fruto con sus respectivas soluciones a temperatura ambiente. Esta maceración se realizó durante dos horas con agitación constante, seguida de un periodo de reposo de 24 horas.

Figura 3. Molienda de Betabel

Para obtener un tinte con una concentración más alta, los extractos crudos se sometieron a un proceso de evaporación en un roto-evaporador, donde los líquidos excedentes se evaporaron a una temperatura controlada hasta obtener un tinte con una consistencia más densa.

Para evaluar el rendimiento energético de los tintes orgánicos a base de betabel, se llevaron a cabo mediciones. Para obtener estos datos, se prepararon electrodos y contraelectrodos utilizando vidrio recubierto con óxido de estaño-indio (ITO).

La preparación del electrodo involucra el tratamiento del material semiconductor, en este caso, se utilizó TiO2 como semiconductor.

Para preparar el sensibilizador, se combinaron 6 gramos de TiO2, 1 ml de Tritón X-100 y 10 ml de ácido acético. Estos componentes se mezclaron hasta obtener una pasta suave y sin grumos, como se muestra en la figura 5. Luego, la mezcla resultante se dejó reposar durante un período de 10 a 15 minutos.

Uno de los cálculos importantes que se realizan es el «Fill Factor» o «FF». El FF es un parámetro que, junto con Voc e Isc, influye en la determinación de la potencia máxima de una célula solar. Se define como la relación entre la potencia máxima de la célula solar y el producto de Voc e Isc. Gráficamente, el FF representa una medida de la «cuadratura» de la célula solar y corresponde al área del rectángulo más grande que encaja en la curva IV.

El cálculo del FF se realiza dividiendo la potencia máxima (que es igual a la corriente máxima multiplicada por el voltaje máximo) entre el producto del voltaje de circuito abierto y la corriente de cortocircuito (Tiwari & Dubey, 2009).

           Ecuación 1 (Tiwari & Dubey, 2009).

Por otro lado, la eficiencia es la capacidad de una celda solar para convertir la energía luminosa recibida en energía eléctrica utilizable (Tiwari & Dubey, 2009), la eficiencia de conversión ƞ es:

  Ecuación 2 (Tiwari & Dubey, 2009).

Resultados y discusión:

Se llevaron a cabo un total de 15 pruebas con cada tinte para evaluar su desempeño. Los resultados de cada prueba se promediaron diariamente para obtener las curvas características de los semiconductores, considerando la corriente, la potencia y el voltaje.

Con los datos recopilados de la medición de las celdas solares orgánicas sensibilizadas mediante los tintes de betabel, se generaron varias gráficas de corriente vs voltaje. Estas gráficas representan la relación entre la corriente y el voltaje de un semiconductor.

En la Figura 4 se muestra la curva voltaje-corriente de las celdas sensibilizadas mediante el tinte de betabel extraído con NaOH. Esta gráfica proporciona información sobre cómo se comporta la celda bajo la influencia de este tinte en particular.

En la Figura 5 se presentan las curvas de voltaje-corriente de la celda sensibilizada con tinte de betabel extraído utilizando metanol. Se destaca que los resultados son inferiores a los obtenidos en la Figura 4. Esto se debe a las notables características que presenta, como un pico más alto en la curva y un cálculo de eficiencia mejorado. Las curvas corresponden a 4 celdas orgánicas evaluadas bajo las mismas condiciones.

La Figura 6 representa la curva corriente-voltaje de la celda orgánica sensibilizada con tinte que fue extraído utilizando metanol. Muestra un rendimiento bajo pero notable cuando se utiliza únicamente el tinte de fragaria. Sin embargo, dada la baja eficiencia, existe la posibilidad de mejorar el rendimiento utilizando este tinte.

Por último, en la Figura 4 se evidencia un rendimiento más alto en el tinte obtenido con NaOH. Esto se observa a través de la curva de la celda en comparación con las gráficas de las Figuras 5 y 6.

Figura 4. Curva de voltaje- corriente en celda sensibilizada con tinte Betabel-NaOH

Figura 5 Curva de voltaje- corriente en celda sensibilizada con tinte Betabel-Metanol

Figura 6 Curva de voltaje- corriente en celda sensibilizada con tinte Betabel-Éter

En la Tabla 1 se presentan los datos obtenidos en la medición de las celdas orgánicas sensibilizadas con diferentes extractos de betabel utilizando varios solventes. Algunos de los datos recopilados incluyen los cálculos del Factor de Llenado (Fill Factor) y la eficiencia de conversión energética. Durante el proceso de evaluación, se consideraron las características clave del Factor de Llenado y la eficiencia en las celdas solares fotovoltaicas.

Tabla1. Datos obtenidos de las diferentes solventes de tinte de betabel.

Solvente	Voc (V)	Isc (A)	Vmax (V)	Imax (A)	Fill Factor	Eficiencia %
NaOH	0.13388	0.00254	0.08862	0.00018021	0.04696296	0.001597
	0.0283	0.00014	0.01208	6.4429E-05	0.19644119	6.2264E-05
	0.2718	0.0018	0.2028	0.00014961	0.06201455	0.0024272
	0.3902	0.00294	0.3054	0.00022521	0.0599553	0.0055024
Éter	0.09178	0.0004	0.05876	0.0002534	0.40558945	0.001489
	0.10958	0.0004	0.07115	0.00026774	0.43461398	0.001905
	0.1302	0.00042	0.08734	0.0002915	0.46558408	0.0020368
	0.14824	0.00028	0.09764	0.00020893	0.491481	0.001632
	0.16806	0.00024	0.1145	0.00018245	0.51792019	0.0016712
Metanol	0.1972	0.00142	0.1384	0.00111344	0.55030997	0.01541
	0.1984	0.00024	0.1403	0.00018746	0.55233535	0.00263
	0.4258	0.00168	0.3318	0.00153165	0.71042743	0.040656
	0.2334	0.00114	0.1676	0.00093258	0.58742615	0.012504

Los resultados derivados de estas gráficas indican que la extracción de tinte de betabel puede ser aprovechada para la generación de electricidad. Sin embargo, también muestran que existe un potencial significativo para mejorar la eficiencia y el rendimiento de las celdas solares orgánicas sensibilizadas. Este hallazgo puede ser de gran relevancia para futuras aplicaciones en energía solar, ya que podría contribuir a la mejora de la eficiencia de conversión energética.

Para comprender la importancia de este trabajo, se realizó una comparación con dos investigaciones previas. La primera, titulada «The Fabrication of Natural Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) based on TiO2. Using Henna and Beetroot Dye Extracts» de Jayavel, R; Dhanemozhi, A. Clara, evalúa la eficiencia de betabel-etanol y Henna-etanol, y los resultados se presentan en la Tabla 2.

El segundo artículo revisado, titulado «Photovoltaic and Impedance Properties of Dye-sensitized Solar Cell based on Nature Dye from Beetroot» de Mona A. Almutairi, W.A. Farooq, M.S. AlSalhi, evalúa las propiedades y la impedancia del tinte de betabel puro, y los datos obtenidos se pueden observar en la Tabla 3.

Tabla 2. Resultados de la celda DSSC de Henna y Betabel en solución de etanol.

Tabla 3. Resultados de celda DSSC Betabel sin solución.

Al analizar y contrastar las tablas de los artículos, específicamente las tablas 2 y 3 que utilizan tintes de Betabel-NaOH, Betabel-Éter y Betabel-Metanol respectivamente, destaca que la configuración Betabel-Metanol presenta un Factor de Llenado superior en comparación con los resultados presentados en el segundo artículo. Esto sugiere una eficiencia de conversión mayor, a pesar de que el tinte empleado en este estudio sea Betabel puro.

Por otro lado, los tintes de betabel desarrollados en este estudio muestran una eficiencia baja en comparación con los resultados del Artículo 3. Como se mencionó previamente, las soluciones utilizadas y las técnicas de extracción del tinte pueden influir en la eficiencia.

Conclusiones

En resumen, este análisis resalta la creciente preocupación por la gestión de desechos de paneles solares y presenta una solución innovadora en forma de celdas solares sensibilizadas por colorantes de betabel. Aunque actualmente estas celdas muestran un rendimiento modesto, su potencial para generar electricidad de manera sostenible a partir de recursos naturales es innegable. Su flexibilidad, bajo costo y respeto al medio ambiente las convierten en una opción prometedora en el campo de la energía renovable.

El proceso de extracción de colorantes de betabel y su incorporación en las celdas solares se presenta como una alternativa viable para abordar la falta de protocolos en la gestión de desechos electrónicos, como los paneles solares. A pesar de los desafíos que enfrentan, este estudio demuestra cómo estas celdas pueden contribuir a reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles y a la generación de energía limpia.

A medida que la sociedad busca soluciones a los problemas ambientales, las celdas solares sensibilizadas por colorantes de betabel ofrecen una perspectiva optimista en el panorama de la energía renovable. Aunque se requiere más investigación y mejoras en la eficiencia, estas celdas representan un paso adelante hacia fuentes de energía más limpias y sostenibles. En última instancia, la adopción y desarrollo de estas tecnologías podrían desempeñar un papel crucial en la búsqueda de un futuro energético más responsable y respetuoso con el medio ambiente.

Referencias

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