Desarro de celdas sensibilizadas con colorantes obtenidos de antas nativas del Perú para Caserío Angolo — Morrope
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Cienc•a, y Humanidades Vol 9(2) - Diciembre 2018
o solares
Rev. Ciencia, Tecnología y Humanidades 9(2): 39 — 48,
2018
Revista de Investigación Centífica
Vicerrectorado de Investigación
Universidad Nacional Pedro Ruiz Gal o
naturales p el
Desarrollo de celdas solares sensibilizadas con colorantes naturales
obtenidos de plantas nativas del Perú para el Caserío Angolo — Morrope
Li-Saavedra, Diego Eduardo
l
1
Suárez-Salas, María Fernanda Camila
l 2
RESUMEN
Buscando alternativas para reemplazar el uso de energías contaminantes, surge la
opción de emplear la energía proveniente del sol para la fabricación de celdas
solares sensibilizadas por colorante (DSSCs). Estos colorantes son de origen natural
y para este trabajo serán obtenidos a partir de plantas originarias de Perú como:
Jatropha macrantha (Huanarpo), Zea mays L. (Maíz morado) y Pouteria sapota
(Zapote), utilizando como solventes etanol y agua destilada con concentraciones
de HCI al 0.1 N y IN respectivamente. Se analizó el tiempo más adecuado para el
favorecimiento de la extracción, por lo cual se trabajaron algunas muestras con 2
horas de agitación magnética mientras que otras muestras se dejaron macerar
durante dos días, previa agitación. Las mediciones de UV visible nos indican que
Jatropha macrantha para etanol acidulado se reporta un pico entre 500 y 620 nm
lo que indica la presencia de antocianinas como principal componente dado que
estas absorben en la región de longitud de onda; por su parte para agua acidulada
los picos se encuentran en la región de 400-500 nm lo que evidencia la extracción
de clorofila. Los reportes para Zea mays L. muestran picos entre 580 a 620 nm, lo
que evidencia la presencia de antocianinas. Sin embargo, para Pouteria sapota no
se obtuvo extracción de carotenoides dado que los picos reportados son muy
bajos.
Palabras clave: Celdas solares, colorantes naturales, colorantes sensibilizadores,
celdas de Grätzel
ABSTRACT
Looking for alternatives to replace the use of polluting energies, emerged the
option of using energy from the sun for the manufacture dye-sensitized solar
cell(DSSCs). These dyes have a natural origin, for this research we obtained it from
native peruvian plants such as: Jatropha macrantha (Huanarpo), Zea mays L. (Purple
corn) and Pouteria sapota (Zapote), using ethanol and distilled water as solvents
with HCI concentrations at 0. IN and IN respectively. The most suitable time for the
extraction was analyzed, so that some samples were worked with 2 hours ofthe m
agnetic stirring while Other samples were allowed to marinate for two days after
agitation. UV -Vis measurements indicate that Jatropha macrantha for acidulated
ethanol reports a peak between 500-620 nm. It indicates the presence of
anthocyanins as the main component since they absorb in the wavelength region;
1
Realizado en el Laboratorio de Ingeniería Química (LIQ) — Universidad Nacional de Colombia, sede
Bogotá (msuarez@unal.edu.co)
Li-Saavedra, Diego Eduardo Suárez-Salas, María Fernanda Camila
40
On the Other hand, for acidulated water, the peaks are in the region
of 400-500 nm, It evidences the extraction of chlorophyll. The reports for Zea mays
L. show peaks between 580 to 620 nm, which evidences the presence of
anthocyanins. However, for Pouteria sapota no extraction of carotenoids was
obtained since the peaks reported are very Iow. Keywords: Solar cells, natural dyes,
sensitizing dyes, Grätzel cells.
Escuela profesional de Ingeniería Química — UNPRG (dli@unal.edil.co)
2
INTRODUCCIóN
Ante el aumento de la demanda de
energía a nivel mundial, los problemas
generados por el uso del petróleo y sus
derivados; y el reto que implica el
agotamiento de estos recursos
provenientes de fuente de carbono,
surge la necesidad de implementar
nuevas tecnologías que garanticen el
desarrollo humano y que se encuentren
en total armonía con el medio
ambiente, disminuyendo los problemas
de emisiones de gases de efecto
invernadero. El sol es una inagotable
fuente de energía y de fácil acceso que
puede solucionar todos estos
inconvenientes mencionados
anteriormente, este beneficio se logra
haciendo uso de celdas solares
convencionales.
Los dispositivos fotovoltaicos se basan
en el concepto de separación de cargas
en una interfaz de dos materiales con
diferentes mecanismos de conducción.
Hasta la fecha este campo ha estado
dominado por los dispositivos de unión
en estado sólido, por lo general hechas
de silicio, y se benefician de la
experiencia y la disponibilidad del
material resultante en la industria de
los semiconductores (Gratzel, M.,
2003).
Desde el descubrimiento de O'regan y
Grätzel, el uso de celdas solares
sensibilizados por colorantes (DSSC)
han traído varios aportes para el
aprovechamiento de la energía solar
debido a que son de bajo costo
(O'regan y Grätzel, 1991). Este tipo de
células solares se muestran como una
alternativa prometedora frente las
celdas solares convencionales de silicio,
ya que utilizan de forma efectiva la
propiedad del electrodo poroso
nanocristalino de banda ancha (óxido
de metal) (Hee Je & Yeo-Tae, 2013).
En la actualidad la utilización de tintes
naturales los cuales son obtenidos a
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Cienc•a, y Humanidades Vol 9(2) - Diciembre 2018
partir de frutos, flores,
hojas y otras partes de una planta,
debido al gran contenido de
antocianina, carotenoides, flavonoides
y clorofila que estos presentan, son un
tema de investigación muy recurrente
con el afán de poder obtener mejores
capacidades de conversión de la
energía solar en eléctrica. La mayor
eficiencia en DSSCs reportada hasta la
fecha es de la cual se da en Ru que
contienen compuestos absorbidos de
Ti02 monocristalino, donde se alcanzó
una potencia de 2.429 mW (Ludin, N. A,
2014), en cuanto a los colorantes
naturales se ha reportado una
eficiencia del 9,8% que es
significativamente alta y
es mucho más económica en o
solares comparación con los otros tipos
de celdas solares (Zang, G; 2009). Los
colorantes extraídos a partir de
cualquiera de las partes de una planta
son extraídos por métodos simple
mediante la utilización de un solvente.
Además, la baja toxicidad, fácil
biodegradabilidad y el bajo costo son
una ventaja para su utilización en
DSSCs. Sin embargo, tienen una
desventaja, debido a que no todos
estos pigmentos presentes en las
plantas garantizan la obtención de
eficiencias altas (Chiba, 2006). Según
varios estudios las antocianinas,
presentes mayormente en pigmentos
de color rojo, han reportado una gran
capacidad para captar la energía solar.
Para el siguiente trabajo se decidió
analizar las capacidades de absorción
de frutos nativos de Perú, los cuales por
las características que se pueden
apreciar deberían tener un mayor
porcentaje de antocianinas y clorofila
en su composición como el fruto de
Jatropha macrantha (Huanarpo) y el
fruto de Zea
naturales p el mays
L. (Maíz morado). Además, se quiso
analizar la diferencia que existe en
comparación con los frutos que
presentan mayor cantidad de
carotenoides como Pouteria sapota
(Zapote). Este tipo de especies suelen
MÉTODO USADO
1. Químicos y materiales
utilizados.
Zapote (Pouteria sapota), maíz morado
2. Preparación del colorante
(Zea mays L.) y huanarpo (Jatropha
natural
macrantha), agua destilada, Acido
La extracción del colorante se llevó a
clorhídrico (HCI, 37%), etanol
cabo realizando pruebas con dos
(C2H50H, 96%). En la figura 1 se
solventes, siendo estos, etanol al 96 %
muestra
los insumos orgánicos con HCI 0. IN y agua destilada con HCI
Li-Saavedra, Diego Eduardo Suárez-Salas, María Fernanda Camila
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ser encontrado con mucha facilidad
dentro del territorio peruano con
mucha facilidad, motivo por el cual
fueron seleccionadas para realizar la
extracción de colorantes a partir de
estos frutos, evaluar la capacidad de
absorbancia y posteriormente la
eficiencia que tienen como
sensibilizadores de DSSCs. Es aclarar
que "NC" (Huanarpo) es una planta
nativa de la región Ayacucho y que
suele ser difícil ser encontrada en la
parte nofte del país. Comúnmente
para el análisis de los colorantes
naturales extraídos, seb utiliza
Espectrofotometría UV-Visible,técnica
analítica que utiliza la luz para medir
concentraciones químicas (Harris,
2007).
IN (agua acidulada) y tiempos de
maceración de 2 y 60 horas. El peso
utilizado de zapote, maíz morado y
huanarpo fueron 20, 10 y 5 gramos
respectivamente, esta diferencia en los
pesos se debe a que el huanarpo
utilizado se encontraba en polvo es
decir en base seca, el zapote al ser una
fruta tiene alto contenido de humedad
(75%) (Liliana, Sánchez, Maribel,
Fernández, & García
Barradas, 2011) al igual que el maíz
morado (8%). Se utiliza en todos los
casos 50 ml de la mezcla de solventes.
Se pesa la cantidad respectiva de
materia orgánica a utilizar, para el caso
del zapote se cortó en pequeñas partes y
se molió en un mortero de porcelana
hasta obtener una masa uniforme; para
el maíz
2
morado solo se utilizó la coronta, esta
se cortó en pedazos muy pequeños y
se molió en el mortero de porcelana;
al
huanarpo no se realizó
acondicionamiento previo ya que este
se encontraba en polvo. En seguida se
coloca la materia orgánica junto con
el solvente en un matraz Erlenmeyer
recubierto con papel aluminio para
evitar la oxidación de los compuestos
del colorante, se agita utilizando un
agitador magnético durante 2 horas.
Inmediatamente después las muestras
que se realizaron sin maceración son
filtradas al vacío para separar los
sólidos del colorante y seguido se
mide la absorbancia en el
espectrofotómetro entre 325 y 1100
nm.
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Figura 1. Plantas utilizadas para la extracción de colorante orgánico. Ca) Zea rnayz L. (b)
Pouteria sapota (e) Jatropha Inacrantha
Cencía, Tecno ogía y Humanidades Vol 9(2) Julio - Diciembre 2018
lo so ares natura es e
Medición - Espectro Cubetas
Figura 2. Método para la obtención de colorantes naturales mediante métodos
simples de extracción.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los espectros de absorción de UV
visible para la solución de colorante
extraído usando diferentes solventes se
muestran en las figuras 5, 6 y 7. En la
figura 5 donde se muestra el espectro de
absorción de huanarpo con diferentes
solventes y tiempo de maceración se
tiene un pico de absorción para el
solvente de etanol acidulado con
maceración entre 610 y 620 nm, lo que
indica que la antocianina es el principal
componente de los pigmentos
observados ya que estas se absorben en
la región entre 500 y 620 nm (Chang &
Lo, 2010); estos compuestos son
solubles en etanol acidulado; para el
mismo solvente pero sin maceración se
puede observar que se tiene un pico
iltración
Li-Saavedra, Diego Eduardo Suárez-Salas, María Fernanda Camila
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mucho más alto entre 600 y 620 nm.
Para el solvente de agua acidulada sin
Tecnología
maceración se tiene dos picos de
absorción entre 350 a 360 nm y entre
440 a 460 nm, sabiendo que la clorofila
se absorbe fuertemente en las regiones
azul y roja del espectro de absorción
que corresponde absorber las regiones
de 400 a 500 nm (Lim et al. , 2015), se
puede determinar que se extrajo
clorofila y este solvente es adecuado
para la extracción de ese compuesto
mas no para la extracción de
antocianinas que por el color del fruto
utilizado se asume que es rico en
antocianinas. En la figura 6 donde se
muestra el espectro de absorción del
maíz morado se ven picos para ambos
solventes y ambos tiempos de
maceración entre 580 a 620 nm por lo
que para este fruto el pigmento extraído
es antocianina, teniendo una alta
solubilidad en estos solventes. En la
Julio
figura 7 donde se muestra el espectro de
absorción del zapote no se obtuvo la
extracción del pigmento que se esperaba
(carotenos), los cuales se absorben entre
400 a 500 nm (Acacio-Chirino, 2013),
se observa dos picos muy pequeños
entre
2
400 a 420 nm en ambas pruebas lo
que nos conlleva a determinar que la
eficiencia de extracción fue muy baja
y este pigmento no es soluble en los
solventes utilizados.
—Etanol+HCl, 2 horas —HCI IN, 2 horas —Etanol+HCl, 2 días —HCI IN, 2 días
Figura 3. Espectro de absorción de la extracción de colorante de huanarpo
con diferentes solventes y tiempos de maceración. Fuente: Elaboración
propia.
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—Etano I+HCI, 2 horas —HCI IN, 2 horas —.HCI IN, 2 días Etanol+HCl, 2 días
Figura 4. Espectro de absorción de la extracción de colorante de maíz morado
con diferentes solventes y tiempos de maceración. Fuente: Elaboración
propia.
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o solares naturales p el
1000
575
—Etano I+HCI, 2 horas —HCI IN, 2 horas
Figura 5. Espectro de absorción de la extracción de colorante de maíz
morado con diferentes solventes y tiempos de maceración. Fuente:
Elaboración propia.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En este trabajo, se extrajeron colorantes
naturales de tres plantas disponibles
localmente como Pouteria sapota, Zea
mays
L. y Jatropha macrantha. Estos colorantes
naturales se extrajeron usando dos
solventes a diferentes concentraciones de
ácido clorhídrico. Se estudiaron las
comparaciones de diferentes solventes
con diferentes tiempos de maceración y
su efecto sobre los espectros de
absorción. Los colorantes obtenidos de
las plantas utilizadas contienen
principalmente antocianina, y clorofila y
carotenos en menor concentración.
Se determinó que el caroteno no es
soluble en los solventes utilizados en las
pruebas por tanto lo que se extrajo de
este pigmento fue muy poco y esto fue
demostrado con los espectros de
absorción de zapote donde
se presumía encontrar altas
concentraciones de caroteno.
Estos pigmentos extraídos serán
utilizados en celdas solares sensibilizadas
con colorantes, y de acuerdo a los
resultados obtenidos para Zea mays L. y
Jatropha macrantha se espera tener
resultados favorables y buenos
rendimientos en la sensibilización de las
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celdas solares. Evidentemente el uso de
estas tecnologías significaría un gran paso
para el desarrollo de lugares, como el
caserío Angolo, cuyo acceso a energía
convencional es limitado.
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