{"id":84258,"date":"2009-02-01T00:00:00","date_gmt":"2009-02-01T00:00:00","guid":{"rendered":"http:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/2009\/02\/01\/fotosintesis-artificial\/"},"modified":"2017-01-20T14:39:33","modified_gmt":"2017-01-20T16:39:33","slug":"fotosintesis-artificial","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/fotosintesis-artificial\/","title":{"rendered":"Fotos\u00edntesis artificial"},"content":{"rendered":"

\"fotoss\u00edntese-artificial\"Eduardo Cesar<\/span>Investigadores brasile\u00f1os y extranjeros han investigado y desarrollado c\u00e9lulas solares que mimetizan el funcionamiento del sistema de fotos\u00edntesis de las plantas, con resultados que auguran una nueva generaci\u00f3n de materias primas de bajo costo, en comparaci\u00f3n con el silicio empleado en la conversi\u00f3n de la luz del sol en electricidad. Las nuevas c\u00e9lulas solares sensibilizadas con colorantes, tambi\u00e9n llamadas DSC, sigla de dye-sensitized solar cells, aparecen como una alternativa prometedora para la producci\u00f3n de energ\u00eda el\u00e9ctrica en todo el mundo. En Brasil, las investigaciones realizadas en el Laboratorio de Nanotecnolog\u00eda y Energ\u00eda Solar del Instituto de Qu\u00edmica de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) resultaron en una empresa spin-off: Tezca C\u00e9lulas Solares, incubada en la Compa\u00f1\u00eda de Desarrollo del Polo de Alta Tecnolog\u00eda de Campinas (Ciatec), que pretende fabricar hasta 2012 celdas solares destinadas recargar bater\u00edas de tel\u00e9fonos celulares, m\u00e1quinas fotogr\u00e1ficas o que puedan acoplarse a notebooks y juguetes.<\/p>\n

“La empresa ya tiene una patente de montaje de celdas solares con material totalmente nacional”, dice la profesora Ana Fl\u00e1via Nogueira, coordinadora de un grupo de 15 investigadores compuesto por posdoctores y alumnos de iniciaci\u00f3n cient\u00edfica, maestr\u00eda y doctorado que desarrolla dispositivos para el aprovechamiento de la energ\u00eda solar. La investigadora empez\u00f3 a interesarse en el \u00e1rea en 1996, con su tesina de maestr\u00eda dirigida por el profesor Marco-Aur\u00e9lio De Paoli, tambi\u00e9n del Instituto de Qu\u00edmica. Actualmente, las investigaciones que coordina se concentran en dos tecnolog\u00edas que se valen de mecanismos diferentes para convertir energ\u00eda solar en electricidad.<\/p>\n

Una de \u00e9stas se basa en la tecnolog\u00eda dye-cells o c\u00e9lulas fotoelectroqu\u00edmicas preparadas con di\u00f3xido de titanio (TiO2), una sustancia utilizada en cremas dentales y pinturas blancas de paredes, con propiedades semiconductoras. Pero debido a que el di\u00f3xido de titanio no absorbe luz por ser blanco, hay que recurrir a un colorante adecuado para sensibilizarlo y promover la absorci\u00f3n de la energ\u00eda solar. “El t\u00e9rmino sensibilizar puede usarse como sin\u00f3nimo de dar color al \u00f3xido de titanio con colorantes naturales o sint\u00e9ticos que absorban en la franja de luz visible al ojo humano”, explica la investigadora.<\/p>\n

Extractos naturales
\n<\/strong>Los colorantes inorg\u00e1nicos que poseen un metal parecido al magnesio encontrado en la clorofila -pigmentos vegetales que funcionan como fotorreceptores en la fotos\u00edntesis- son los m\u00e1s eficientes para desempe\u00f1ar esa tarea. Hasta ahora, los compuestos de rutenio, un elemento qu\u00edmico empleado en catalizadores, se han mostrado imbatibles en ese rol debido a su capacidad de absorci\u00f3n y transferencia de energ\u00eda, pero otros colorantes tambi\u00e9n han dado buenos resultados. En la Universidad de S\u00e3o Paulo, el grupo de investigaci\u00f3n de la profesora Neyde Yukie Murakami Iha, del Laboratorio de Fotoqu\u00edmica y Conversi\u00f3n de Energ\u00eda, quien desde 1985 se dedica al estudio de sistemas de almacenamiento y conversi\u00f3n de energ\u00eda solar, ha probado colorantes naturales con extractos de mora, guapur\u00fa, asa\u00ed, pomarrosa y otras frutas y flores que contienen pigmentos antioxidantes llamados antocianinas, con colores caracter\u00edsticos como el rojo, el azul y el violeta. “Hicimos una c\u00e9lula solar con colorante natural que est\u00e1 funcionando hace m\u00e1s de un a\u00f1o”, informa Neyde. “La ventaja es que es mucho m\u00e1s factible econ\u00f3micamente y da\u00f1a mucho menos al medio ambiente.”<\/p>\n

\"energiaEduardo Cesar<\/span>En 1995, la investigadora comenz\u00f3 a desarrollar las c\u00e9lulas solares sensibilizadas con colorantes del tipo dye-cells. “El gran impulso para estas investigaciones vino con el profesor Michael Gr\u00e4tzel, de la Escuela Polit\u00e9cnica Federal de Lausana, Suiza, que demostr\u00f3 la factibilidad comercial del sistema de nanopart\u00edculas de cristales de di\u00f3xido de titanio”, dice Neyde. En 1991, Gr\u00e4tzel cre\u00f3 una c\u00e9lula que, en lugar de usar una capa \u00fanica de di\u00f3xido de titanio, era formada por peque\u00f1as part\u00edculas de \u00f3xido met\u00e1lico con alrededor de 20 nan\u00f3metros de di\u00e1metro, cubiertas con una fina capa de pigmento. El m\u00e9todo aument\u00f3 la superficie efectiva disponible para la absorci\u00f3n de luz solar. Desde entonces el grupo del investigador suizo y otros grupos de investigaci\u00f3n han procurado aumentar la eficiencia de conversi\u00f3n energ\u00e9tica de estos dispositivos, utilizando nuevos materiales y soluciones innovadoras para el montaje de estas c\u00e9lulas.<\/p>\n

B\u00e1sicamente, \u00e9stas funcionan de manera similar a una bater\u00eda de celular, con dos electrodos y entre \u00e9stos un electrolito, un medio conductor que lleva a cabo el transporte de las cargas el\u00e9ctricas mediante iones. “El funcionamiento de estas c\u00e9lulas, que son montadas como un s\u00e1ndwich, constituye un verdadero sistema qu\u00edmico integrado”, dice Ana Fl\u00e1via. Este sistema est\u00e1 constituido por un colorante con alta absorci\u00f3n de luz, que separa y transfiere la carga el\u00e9ctrica al di\u00f3xido de titanio y es regenerado por el electrolito. Las cargas el\u00e9ctricas separadas en ese proceso se recombinan luego de pasar por un circuito externo y generan una corriente el\u00e9ctrica. En la USP, un prototipo de la c\u00e9lula solar de 10 por 10 cent\u00edmetros demuestra las posibilidades de esta tecnolog\u00eda. Conectado a una fuente de luz, es capaz de mover un peque\u00f1o motor que hace girar una h\u00e9lice.<\/p>\n

Recientemente, la empresa G24 Innovations, del Reino Unido, que tiene la licencia de la patente de Gr\u00e4tzel para Europa, puso en venta cargadores de celulares y chaquetas con placas de captaci\u00f3n de energ\u00eda solar fabricados con filmes flexibles sensibilizados con colorantes. La empresa australiana Dyesol est\u00e1 prepar\u00e1ndose para lanzar en escala comercial paneles provistos de esta tecnolog\u00eda para su aplicaci\u00f3n en fachadas de casas y edificios. “Ya cuenta con la tecnolog\u00eda, que est\u00e1 lista para eso”, dice Neyde, quien en 2007 hizo una visita a la empresa. “No sac\u00f3 los productos al mercado solamente porque quiere tener la garant\u00eda de que el mantenimiento se har\u00e1 de manera adecuada, para que los paneles efectivamente tengan una vida \u00fatil de diez a\u00f1os, como se plane\u00f3”. A tal fin, Dyesol est\u00e1 estructurando consorcios con empresas y centros de investigaci\u00f3n de varios pa\u00edses. “Una de las grandes ventajas de las dye-cells es la capacidad que tienen de operar en bajas condiciones de luminosidad”, dice Neyde.<\/p>\n

El grupo de la USP, que cont\u00f3 con financiamiento de la FAPESP y del CT-Energ, Fondo Sectorial de Energ\u00eda del Ministerio de Ciencia y Tecnolog\u00eda para la realizaci\u00f3n de las investigaciones, tiene cinco patentes depositadas con la tecnolog\u00eda. Algunas empresas se interesaron en comenzar a producir las dye-cells, pero las negociaciones siguen en marcha. “Adem\u00e1s de convertir la energ\u00eda solar en electricidad, esta tecnolog\u00eda tiene potencial para producir hidr\u00f3geno y metano, que pueden utilizarse como combustibles”, informa Neyde. El laboratorio de la USP se asoci\u00f3 con el profesor Thomas Meyer, de la Universidad del Estado de Carolina del Norte, Estados Unidos, para desarrollar catalizadores y sistemas integrados para la realizaci\u00f3n de la fotos\u00edntesis artificial produciendo combustibles solares.<\/p>\n

La otra tecnolog\u00eda que est\u00e1 investig\u00e1ndose en la Unicamp, la misma empleada en los filmes flexibles de los productos lanzados por la empresa brit\u00e1nica, es la de las celdas solares que utilizan materiales semiconductores org\u00e1nicos, como pol\u00edmeros o mol\u00e9culas, como capa activa en los equipos de energ\u00eda solar. Para prepararlas se usan dos semiconductores con caracter\u00edsticas diferentes para hacer el transporte electr\u00f3nico. En este caso, ambos electrodos se ponen directamente en contacto, sin necesidad de un electrolito. “Las c\u00e9lulas org\u00e1nicas nos permiten trabajar con diversos materiales, lo que promueve el desarrollo de m\u00f3dulos flexibles, de colores y transparentes”, dice Ana Fl\u00e1via. En la Universidad Federal de Paran\u00e1, desde 1998, el profesor Ivo H\u00fcmmelgen, del Departamento de F\u00edsica, investiga estos dispositivos elaborados con pol\u00edmeros, que pueden tambi\u00e9n asociarse a fulerenos o a nanotubos, estructuras nanom\u00e9tricas hechas de \u00e1tomos de carbono. “Usamos como capa activa derivados de poliotiofenos, una familia de pol\u00edmeros que tiene una absorci\u00f3n bastante acentuada en la regi\u00f3n visible del espectro solar”, dice H\u00fcmmelgen. Los fulerenos y los nanotubos aumentan la eficiencia del proceso, pues se encargan de separar y transportar la carga en el interior del dispositivo.<\/p>\n

Conversi\u00f3n energ\u00e9tica
\n<\/strong>“Un problema b\u00e1sico tanto de las dye-cells como de las org\u00e1nicas es que la eficiencia es a\u00fan m\u00e1s baja que las c\u00e9lulas solares inorg\u00e1nicas de silicio utilizadas actualmente”, dice H\u00fcmmelgen. Sucede que las condiciones de producci\u00f3n en laboratorio, con procesos sumamente controlados, no siempre son pasibles de repetirse en la producci\u00f3n en gran escala. Mientras que las c\u00e9lulas comerciales a base de silicio policristalino tienen una eficiencia media del 11%, las dye-cells llegan al 7% \u00f3 al 8% en laboratorio. “En algunos laboratorios ya se han obtenido c\u00e9lulas certificadas con hasta un 11% de eficiencia”, informa Neyde. Los c\u00e1lculos para la medici\u00f3n de la eficiencia energ\u00e9tica abarcan la totalidad de la luz del sol que se convierte en electricidad. “Este c\u00e1lculo tiene en cuenta todo el espectro solar, que va desde lo visible hasta el infrarrojo cercano”, explica Neyde. “Existen regiones con eficiencia del 80% y otras sin ning\u00fan aprovechamiento.”<\/p>\n

\"energiaEduardo Cesar<\/span>Los cargadores de celulares de la empresa inglesa G24, por ejemplo, permiten 20 minutos de conversaci\u00f3n por cada hora de luz solar. Puede parecer poco, pero hay que considerar que \u00e9sta es una aplicaci\u00f3n port\u00e1til, ideal para locales no conectados a la red el\u00e9ctrica. Pese a su menor eficiencia, la tecnolog\u00eda es prometedora, no solamente para aplicaciones en comunidades aisladas sino tambi\u00e9n en \u00e1reas urbanas. La previsi\u00f3n de costo en escala industrial es alrededor de un 50% menor que el de una c\u00e9lula de silicio. “Como la presencia de peque\u00f1as impurezas en el semiconductor no constituye un problema para el funcionamiento de las dye-cells, no se requieren los procedimientos complicados necesarios para la fabricaci\u00f3n de c\u00e9lulas de silicio, tales como el uso de una sala limpia y ropas especiales”, dice Neyde. El costo proyectado para las c\u00e9lulas solares org\u00e1nicas y dye-cells es de 0,40 d\u00f3lar por vatio, ante 3 d\u00f3lares por vatio de las tecnolog\u00edas a base de silicio.<\/p>\n

En Brasil, el potencial de generaci\u00f3n de energ\u00eda fotovoltaica es de 10 mil megavatios (MW), casi una central de Itaip\u00fa, pero no es posible aprovecharla totalmente porque es necesario tener espacios disponibles para la instalaci\u00f3n de centrales de energ\u00eda solar. Hasta ahora, tan s\u00f3lo 12 MW est\u00e1n efectivamente instalados en comunidades aisladas, mientras que otros 80 integran sistemas conectados a la red el\u00e9ctrica, pero en car\u00e1cter experimental. Brasil es un gran exportador de cuarzo, materia prima empleada para fabricar el silicio de grado solar, pero no domina la tecnolog\u00eda de producci\u00f3n de este material semiconductor con alto valor agregado. “El proceso de crecimiento de los cristales de silicio es sumamente caro, porque involucra temperaturas alt\u00edsimas y un proceso litogr\u00e1fico complejo para la obtenci\u00f3n de cristales perfectos”, explica Ana Fl\u00e1via. Otra cr\u00edtica que hicieron las investigadoras a la utilizaci\u00f3n del silicio es el costo de la energ\u00eda gastada para su producci\u00f3n. “Para fines espaciales, por ejemplo, es una tecnolog\u00eda que justifica el precio final”, dice Neyde. Pero su alto costo impide que se emplee en gran escala. “El costo de instalaci\u00f3n de un sistema de captaci\u00f3n solar a base de silicio para una casa de 200 metros cuadrados es de alrededor de 35 mil d\u00f3lares”, dice Ana Fl\u00e1via. Los c\u00e1lculos estuvieron a cargo de la empresa SunLab, de la localidad de Bragan\u00e7a Paulista, en el interior de S\u00e3o Paulo.<\/p>\n

El proyecto<\/strong>
\nC\u00e9lulas solares fotoelectroqu\u00edmicas regenerativas utilizando vidrios conductores que contienen filamentos protegidos y su asociaci\u00f3n modular para el montaje de paneles (n\u00ba\u00a000\/08434-0<\/a>);\u00a0Modalidad <\/strong>Programa de Apoyo a la Propiedad Intelectual (Papi);\u00a0Coordinador
\n<\/strong>Neyde Yukie Murakami Iha – USP;\u00a0Inversi\u00f3n\u00a0<\/strong>R$ 28.069,35 (FAPESP)<\/p>\n

Art\u00edculos cient\u00edficos
\n<\/em>NOGUEIRA, A.F., et al.<\/em> Polymer solar cells using single-wall carbon nanotubes modified with thiophene pedant groups<\/a>. Journal of Physical Chemistry<\/strong> C. v. 111, n. 49, p. 18.431-18.438, 20 nov. 2007.
\nPATROC\u00cdNIO, A.O.T., et al.<\/em> XPS characterization of sensitized n-TiO2 thin films for dye-sensitized solar cell applications<\/a>. Applied Surface Science<\/strong>. v. 254, p. 1.874-1.879, 15 ene. 2008.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"C\u00e9lulas solares reproducen el proceso vegetal de transformaci\u00f3n de la luz solar","protected":false},"author":22,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[192],"tags":[296,304],"coauthors":[115],"class_list":["post-84258","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-tecnologia-es","tag-energia-es","tag-fisica-es"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/84258","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/22"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=84258"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/84258\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=84258"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=84258"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=84258"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=84258"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}