Estudio computacional y experimental de betalaínas, colorantes naturales a ser usados en celdas solares sensibilizadas por colorante (DSSC)

Conscientes de que el suministro de energía a nivel mundial peligra debido a la reducción de las reservas de los combustibles fósiles, en particular el petróleo, y de sus efectos perjudiciales para el medio ambiente, como causa principal del calentamiento global, es urgente centrar esfuerzos en el desarrollo de energías renovables generadas a partir de recursos naturales como la luz solar, el viento, la lluvia, las mareas y el calor geotérmico.

La búsqueda de estas fuentes alternas es uno de los más importantes retos que actualmente enfrenta la humanidad. Entre estas fuentes alternas, el sol tiene el potencial de hacer el mayor aporte energético, ya que sólo una hora de radiación solar (3.8 × 1023 kW), es suficiente para satisfacer la demanda humana de energía de un año (1.6 × 1010 kW en 2005). Las plantas son las que mejor aprovechan la energía solar, a través de la fotosíntesis, mientras que el hombre puede aprovecharla mediante el uso de celdas solares para generar electricidad, estas celdas solares funcionan con determinados materiales capaces de absorber más o menos energía solar.

En este trabajo nos centraremos en las celdas solares de tercera generación, específicamente las del tipo DSSC (ó celda solar sensibilizada por colorante) que utilizan un compuesto fotosensible como captador de energía solar, este compuesto puede ser un colorante orgánico, natural o sintético. Con esta investigación se pretende hacer un estudio computacional y experimental que permita comprender mejor la relación entre la estructura molecular del colorante de interés, sus propiedades electrónicas, foto-físicas y su eficiencia en las celdas DSSC.

El estudio computacional se desarrollará empleando la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) y el enfoque de TDDFT (DFT dependiente del tiempo), para calcular las propiedades electrónicas y ópticas de algunos de los compuestos perteneciente a la familia de las Betalaínas, que son un grupo de colorantes naturales que se encuentran predominantemente en frutos y flores, de los cuales se han descrito hasta ahora alrededor de setenta derivados, con el fin de determinar su posible uso como colorantes sensibilizadores en celdas DSSC. Para cada colorante, se obtendrán datos computacionales, tales como gap HOMO-LUMO, longitud de onda de máxima absorción (max), la eficiencia de captación de luz (LHE), Voltaje de circuito abierto (Voc), entre otros, que se compararán con los datos experimentales que se obtengan al medir los parámetros fotovoltaicos de la celda hecha con el uso del colorante que se elija. Experimentalmente, se establecerán los principales parámetros que caracterizan el rendimiento fotovoltaico de las celdas tipo DSSC, es decir: IPCE (eficiencia en la conversión fotón incidente a electrón generado); Voc (Voltaje de circuito abierto), Isc (corriente de cortocircuito); FF (Factor de relleno) Eficiencia de conversión general (η) y curvas I-V con las que se puede evaluar el rendimiento fotovoltaico de una DSSC en función de los parámetros Voc, Isc, FF y η.

Este estudio permitirá ampliar el conocimiento asociado a la generación de energías limpias y de manera novedosa, se procura combinar una investigación de ámbito científico con los ODS (Objetivos del Desarrollo Sostenible) y con el reto propuesto por la Facultad de Ciencias básicas de la Universidad de Medellín, al abordar la temática en Ciencia de Materiales, específicamente compuestos que pueden ser usados para beneficiar el medio ambiente.

Objetivos
-General: Determinar computacionalmente cuáles colorantes naturales, pertenecientes a la familia de las Betalaínas, pueden ser usados como sensibilizadores en celdas DSSC y corroborarlos experimentalmente mediante el estudio de los principales parámetros fotovoltaicos asociados.

-Específicos
1. Estudiar computacionalmente los colorantes pertenecientes a la familia de Betalaínas con potencial uso como colorantes para las celdas del tipo DSSC.
2. Calcular los parámetros fotovoltaicos de los colorantes y determinar cuáles de estos tienen las mejores propiedades fotovoltaicas para su uso en celdas del tipo DSSC.
3. Validar experimentalmente algunos de los colorantes estudiados computacionalmente, mediante su uso en modelos de celdas DSSC.

Con esta investigación se pretende hacer un estudio computacional y experimental de los colorantes pertenecientes a la familia de las Betalaínas, unos compuestos naturales que puedan ser utilizados en las celdas DSSC y de los cuales se han descrito hasta ahora alrededor de setene derivados, lo cual nos permita comprender mejor la relación entre la estructura molecular del colorante de interés, sus propiedades electrónicas y foto-físicas y su eficiencia en celdas DSSC.
Para la gran mayoría de las Betalaínas no se reportan investigaciones en las que hayan sido estudiados empleando la herramienta computacional DFT y DFDFT. Excepto para betanidin, isobetanidin, indicaxanthin y portulaxanthin, éstas como la betanina, contienen grupos funcionales muy buenos donantes de electrones, propiedad importante en los colorantes a usar en las DSSC.

Dento de los compuestos a estudiar de la familia de las betalaínas están: Betanin, Isobetanín, probetanín, neobetanín, vulgaxantín, miraxantín, portulaxantín, indicaxantín, dopaxantín, muscaurin, portulacaxantín, alanine-Bx, methionine-Bx, phenylalanine-Bx, phenelethylamine-Bx. “-descarboxiBetanin, entre otros