Un Nuevo Complejo De Hierro Captura Energía Solar

Uno de los principales caballos de batalla de la ciencia de materiales es la fabricación de dispositivos que puedan transformar y almacenar energía, como las celdas solares. También se busca usar materiales abundantes en la Tierra, lo que reduciría drásticamente el precio de estos dispositivos

Un equipo de investigación sueco ha diseñado una molécula con hierro que absorbe energía solar y la transmite a partículas semiconductoras con una eficiencia excepcional (Nat. Chem. 2015, DOI: 10.1038/nchem.2365). Estos dos procesos químicos son los primeros pasos con los que produce energía la amplia familia de dispositivos fotovoltaicos conocidos como celdas solares sensibilizadas por colorante (DSSCs, por sus siglas en inglés). Estos dispositivos, también llamados celdas solares Graetzel, se inventaron en 1991.

Las DSSC, y las análogas celdas solares de perovskita, centran la mayoría de la atención de los investigadores, ya que tienen el potencial de cubrir nuestras crecientes necesidades energéticas al usar la virtualmente ilimitada energía del Sol.

Al incidir la luz solar sobre una DSSC, los electrones pertenecientes a una capa de moléculas que absorben luz, llamadas colorantes o sensibilizadores, se excitan. Estas moléculas traspasan los electrones excitados a partículas semiconductoras a las que están fijadas, tales como el óxido de titanio (TiO₂). Desde allí, los electrones migran a un electrodo para finalmente producir energía eléctrica.

Los compuestos de rutenio, y especialmente los que tienen ligandos polipiridínicos, están considerados como unos de los mejores sensibilizadores usados en DSSC debido a sus propiedades electrónicas. El problema es que el rutenio, además de tóxico, es relativamente escaso y por tanto caro. Todo esto obliga a los investigadores a buscar alternativas, como los complejos de hierro, que es económico y abundante.

Desgraciadamente, los complejos de hierro estudiados hasta la fecha, incluyendo los complejos de hierro polipiridínicos, presentaban graves limitaciones: desde bajas producciones de electrones excitados en los complejos metálicos -denominados rendimientos de inyección-, hasta supervivencias del estado excitado demasiado cortas como para llegar a inyectar los electrones en los semiconductores (TiO₂).

Un equipo de científicos liderado por Villy Sundström y Kenneth Wärnmark de la Universidad de Lund, en Suecia, ha sintetizado un complejo de hierro con ligandos carbeno N-heterocíclicos que, al ser empleado como sensibilizador, elude los citados problemas. Por un lado, el estado excitado de este nuevo complejo tiene una duración mil veces mayor que los de los clásicos complejos de hierro polipiridílicos. Además, este complejo de hierro (II) alcanza un rendimiento de inyección del 92%, una cifra excitante si la comparamos con la de los populares complejos de rutenio, que tienen rendimientos cercanos al 100%.

Al evaluar diferentes ligandos para el complejo, compararon versiones funcionalizadas con grupos carboxilo con otras sin funcionalizar, estudiaron los compuestos con varias técnicas espectroscópicas y finalmente descubrieron que los grupos carboxilo amplían considerablemente la vida media del estado excitado responsable de la transferencia de carga. La duración había aumentado al doble al disolver la molécula, y se había cuadruplicado si se inmovilizaba en un sólido.

“Estos avances en complejos de hierro (II) seguramente renovarán el interés en sensibilizadores moleculares”, afirma Elena Galoppini, una química de la Rutgers University (Nueva Jersey) que estudia semiconductores funcionalizados: “Este resultado, la culminación de los esfuerzos de muchos grupos para calibrar las propiedades de los estados excitados de los complejos de hierro (II), quizá nos dirija a la fabricación de dispositivos solares con sensibilizadores abundantes en la corteza terrestre.”

Traducción al español producida por Greco González Miera de Divulgame.org para C&EN. La versión original (en inglés) del artículo está disponible aquí.