La esponja de TiO2 de Grätzel permitió que una capa de colorante de una sola molécula fabricara una célula solar del 7%

En 1991, el artículo de Nature comenzaba con una cifra contundente: la electricidad procedente de células solares comerciales costaba aproximadamente diez veces más que la generación convencional. La sensibilización por colorante era una idea antigua —la clorofila sobre un electrodo de óxido de zinc ya había demostrado la conversión de fotones en electricidad a principios de la década de 1970—, pero un electrodo plano solo admite una monocapa de colorante, que absorbe alrededor del 1% de la luz incidente. Todo el enfoque parecía irremediable.

Brian O'Regan y Michael Grätzel, que habían iniciado el trabajo juntos en UC Berkeley en 1988, cambiaron la geometría en lugar de la química. Fabricaron una película ópticamente transparente de 10 µm de partículas de dióxido de titanio de unos pocos nanómetros de diámetro, sinterizadas formando una esponja con ~1.000× la superficie, y recubrieron su superficie interna con una única monocapa de colorante de transferencia de carga. Esa única capa molecular captaba ahora el 46% del flujo de energía solar incidente, inyectaba electrones en la banda de conducción del TiO2 con una eficiencia fotón-corriente superior al 80%, y era regenerada por un electrolito de yoduro.

La célula convertía el 7,1–7,9% de la luz solar simulada —comercialmente realista para 1991— y el 12% de la luz diurna difusa, mantenía corrientes superiores a 12 mA/cm² y sobrevivía al menos cinco millones de ciclos de recambio sin descomponerse. Dado que los electrones viajan a través de la banda de conducción del volumen en lugar de atravesar las superficies de unión, el semiconductor podía ser de baja pureza y barato: el propio planteamiento del artículo era una célula «creada a partir de materiales de pureza baja a media mediante procesos de bajo coste».

Separar la absorción de luz del transporte de carga

La fotovoltaica de silicio se quedaba fuera de la generación a gran escala porque los cristales de altísima pureza y el procesamiento de grado de unión dominaban el coste; la célula de colorante se diseñó para tolerar materiales baratos e imperfectos.

El cuello de botella era la absorción, no la química: una monocapa capta solo cierta cantidad de luz, así que un aumento de superficie de mil veces resolvió dos décadas de fracaso sin un nuevo colorante.

La separación de carga ocurre en el instante en que el colorante inyecta un electrón en la banda de conducción del TiO2, antes de la recombinación: la física que permite a un dispositivo molecular competir con una unión p–n.

El electrolito de yoduro restaura continuamente el colorante decolorado, de modo que la estabilidad provino de la química de regeneración: cinco millones de ciclos de recambio por molécula en lugar de fotodegradación.

Cuando un componente es caro o frágil, desacopla su función de la de la estructura: una capa de una sola molécula absorbe, el volumen barato conduce. La rugosidad a escala nanométrica convierte ese desacoplamiento en un dispositivo.

El artículo de 1991 se convirtió en uno de los más citados en fotovoltaica (27.000 citas en la propia página de Nature) y dio origen a un campo mundial de células de Grätzel. No desplazó al silicio en las centrales eléctricas —la estabilidad del electrolito y la vida útil de 25 años que exige la integración en edificios siguieron siendo difíciles, por lo que las DSSC comerciales se asentaron en nichos como los cargadores portátiles y de luz interior—. Su legado más profundo es arquitectónico: las células solares de perovskita, la tecnología fotovoltaica de mejora más rápida de la década de 2010, comenzaron como «colorantes» de perovskita pintados sobre la misma esponja mesoporosa de TiO2.