Descripción general de la generación de energía solar
En términos generales, la generación de energía solar es cuando la electricidad es producida por el sol que brilla sobre un material específico. Con un poco más de detalle, los materiales semiconductores se utilizan en los paneles solares. Cuando la radiación solar golpea estos paneles, los fotones son absorbidos por el material semiconductor, lo que hace que los electrones se eleven a un estado de mayor energía. El electrón puede relajarse y volver a su estado de energía original (con pérdida de calor asociada), o puede viajar a través de la célula solar a un electrodo, donde se genera una corriente. La eficiencia de las células solares se basa en varios aspectos, que incluyen:
- Los materiales que los componen tienen bandas de banda adecuadas (es decir, bajas), lo que significa que se requiere menos energía para "excitar" un electrón.
- Un aceptor de electrones altamente eficiente, un ejemplo típico es el dióxido de titanio
- Materiales de transporte de agujeros robustos y productivos, que son responsables del movimiento de electrones al electrodo y la separación e inhibición de la carga: este es el papel en el que la pirita normalmente actúa.
- La producción de deposición/película es un proceso eficiente con la menor cantidad de defectos posibles
El semiconductor más utilizado en los paneles solares es el silicio, pero el silicio de alta pureza es costoso de producir, especialmente a la escala necesaria para producir una matriz solar, teniendo en cuenta que las capas de silicio deben ser relativamente gruesas. La pirita es un material que ha encontrado éxitos crecientes en ensayos de investigación en el espacio de generación solar. Barato, ampliamente disponible y naturalmente muy puro directamente del suelo, se han observado interesantes propiedades similares a las de los semiconductores.
Pirita en células solares
Muchas de las construcciones de células solares de mayor rendimiento son cuando la pirita se utiliza junto con otros semiconductores. El uso de pirita puede mejorar las propiedades de producción eléctrica del panel, o puede disminuir el costo de fabricación, o a menudo ambos. A pesar de esto, se ha demostrado que la pirita es efectiva como célula fotoelectroquímica por derecho propio. La primera investigación fue publicada en el área en 1984(3), pero la célula solar de pirita sólo tenía una eficiencia de ca. 2.8%.
Dispositivos de cristal único
El uso de pirita sola para la producción de una célula solar tiene un alcance limitado. Los niveles de eficiencia más altos encontrados por los investigadores para la pirita solitaria son del 2%(4). Aunque la pirita puede depositarse en una película que es 1.000 veces más delgada que una película de silicio y aún así absorber la luz solar, la investigación ha demostrado que en la nanoescala, pequeños defectos superficiales pueden ocurrir en la deposición de la pirita, por lo que algunos átomos de azufre son "faltantes" (5).
El rendimiento de las células solares compuestas de pirita está sujeto a investigación en curso. Los estudios sugieren que el principal factor limitante son las "vacantes de azufre", donde faltan átomos de azufre en la estructura cristalina de las películas producidas para la fabricación celular(6). Esto se considera un problema menor cuando la pirita no se usa por sí sola.
Células solares de perovskita
Una célula solar de perovskita es una célula donde el principal absorbente de luz es un material con una capa estructurada en perovskita, como los haluros de estaño. En las células solares de tipo perovskita, las láminas de pirita se han utilizado como materiales de transporte de agujeros. La pirita es particularmente experta en esta función, con algunas investigaciones que reportan eficiencias de conversión de potencia de 11.2% donde la perovskita es el semiconductor intrínseco, el dióxido de titanio es el aceptor de electrones y la pirita el transportador de agujeros(7). El mismo informe afirmó que por metro cuadrado, la película de pirita es 300 veces más barata de producir que otros materiales que transportan agujeros como el polímero de poli-triarlamina. Además, los materiales convencionales de transporte de agujeros requieren dopaje químico para garantizar niveles de conductividad suficientes y potenciales iónicos óptimos(8) - no se requiere dopaje para la pirita.
La investigación ha demostrado la estabilidad a largo plazo de la pirita como material transportador de agujeros, con un estudio que muestra una eficiencia inicial de conversión de energía para células de pirita/perovskita del 12,8%, disminuyendo solo un 8% después de 1.000 horas en condiciones de laboratorio(9). Las nanopartículas de pirita para estos fines pueden obtenerse del tratamiento hidrotermal asistido por microondas de pirita en alta pureza(10).
Un subconjunto de células de perovskita, las células de heterounión a menudo emplean compuestos de cadmio. El sulfuro de cadmio es un semiconductor de alto rendimiento y puede ser construido en una célula solar como una película junto con la pirita(11), aunque dicha tecnología aún se encuentra en las primeras etapas de desarrollo. La pirita se utiliza en este sentido como una capa de absorción solar en la célula de heterounión, confiando en la absorción óptica superior de la pirita y las propiedades de respuesta a la foto. Bajo la luz diurna simulada, se generaron 94 mV de electricidad a una densidad de corriente de 0,4 mA/cm2 - aunque en números bajos, está claro del potencial de la pirita como absorbente solar(12), incluso con películas tan delgadas como 100 nm. Datos similares han sido observados para células de heterounión de teluro de cadmio-pirita de hierro(13), nuevamente con pirita de hierro como transportador de agujeros.
Se han reportado eficiencias solares del 13,3% donde la pirita (como medio de transporte de agujeros) se ha depositado como una película delgada junto con sulfuro de cadmio / teluro de cadmio en una célula de perovskita(14), aquí, las películas de pirita se utilizan a un espesor de 1 μm para evitar cualquier problema relacionado con la porosidad de la película. Una de las muchas razones, se ha informado, de que las películas delgadas de pirita se comportan tan bien como un medio de transporte de agujeros es que tienen una alta densidad de orificio libre y una función de trabajo relativamente profunda alrededor de 5 eV(15).
Células solares sensibilizadas con colorante (DSSC)
Las DSSC son otra clase de células solares que han demostrado beneficiarse de la inclusión de pirita de hierro en su fabricación. Las DSSC son células solares donde un semiconductor se intercala entre un ánodo fotosensibilización y un electrolito(16). Tales células de película delgada han estado en desarrollo desde principios de la década de 1990. Para los propósitos de este trabajo, la identidad del "tinte" es en gran medida irrelevante. Una de las razones del alto costo de tales células son los electrodos de platino que se utilizan. Investigaciones recientes reemplazan el platino con pirita, y no solo reduce el costo de fabricación, sino que muestra eficiencias de conversión de 7.27% bajo una lámpara de 100 mW/ cm 2(17). La alta eficiencia cuántica de la pirita(18) y la estabilidad a largo plazo en el electrolito líquido de yoduro corrosivo de un DSSC(19) se consideran factores contribuyentes valiosos. Tal trabajo se basa en el uso de células redox híbridas de yodo/cobalto con una película de pirita de hierro como contraelectrodo(20).
Una subclase de DSSC es donde la pirita está en forma de nanopartículas y está recubierta con una fina capa de carbono antes de convertirse en una película, que actúa como el contraelectrodo junto con un electrolito redox, un material como el dióxido de titanio como aceptor primario de electrones, y todo ensamblado sobre un sustrato como el óxido de estaño fluorado. Tales estructuras utilizan pirita de una manera diferente a las formas de lámina como se ve en otros tipos de células, es decir, recubiertas de carbono, pero los datos de eficiencia reportados son tan buenos como si el contraelectrodo fuera el platino convencional(21). Una de las ventajas de los DSSC es su producción en un rollo, un colector al que encajan bien las láminas de pirita, lo que significa que la célula solar producida es increíblemente delgada y flexible.
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