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Desarrollo y Eficiencia de Dispositivos Biofotovoltaicos: Estado del Arte y Perspectivas Futuras

 

Development and Efficiency of Biophotovoltaic Devices: State of the Art and Future Perspectives

 

Desenvolvimento e Efici�ncia de Dispositivos Biofotovoltaicos: Estado da Arte e Perspectivas Futuras

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: ldelaa@uagraria.edu.ec

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

* Recibido: 2 de julio de 2024 *Aceptado: 05 de agosto de 2024 * Publicado: �11 de septiembre de 2024

 

        I.            Universidad Agraria del Ecuador, Ecuador.

      II.            Pontificia Universidad Cat�lica del Ecuador, Sede Esmeraldas, Ecuador.

   III.            Universidad T�cnica Luis Vargas Torres de Esmeraldas, Ecuador.

   IV.            Universidad T�cnica Luis Vargas Torres de Esmeraldas, Ecuador.

 

Resumen

El desarrollo y la eficiencia de los dispositivos biofotovoltaicos (BPV) representan un �rea emergente en el campo de la energ�a renovable, con el potencial de proporcionar una fuente de energ�a limpia y sostenible. Este estudio se centra en evaluar el estado del arte de los BPV, identificando los avances m�s recientes y los desaf�os que a�n persisten, con el objetivo de ofrecer una visi�n clara de su futuro en la transici�n energ�tica global. La investigaci�n se llev� a cabo mediante una revisi�n bibliogr�fica exhaustiva, que incluy� la consulta de bases de datos especializadas como Scopus, Scielo, Dialnet, y Google Scholar. Se analizaron un total de 863 estudios relevantes, publicados entre el a�o 2000 y la fecha, enfocados en las variables de desarrollo y eficiencia de los dispositivos biofotovoltaicos. Los resultados de esta revisi�n destacan avances significativos en el dise�o y materiales de los BPV, especialmente en la integraci�n de nanomateriales y organismos fotosint�ticos modificados. Sin embargo, la eficiencia de conversi�n energ�tica de estos dispositivos sigue siendo baja en comparaci�n con otras tecnolog�as fotovoltaicas, lo que se�ala la necesidad de una mayor investigaci�n en esta �rea. Tambi�n se identificaron tendencias emergentes y retos clave, como la estandarizaci�n de m�todos de evaluaci�n y la mejora en la sostenibilidad de los materiales utilizados.

A pesar de los desaf�os actuales, los dispositivos biofotovoltaicos tienen el potencial de desempe�ar un papel crucial en el futuro de la energ�a renovable. Con investigaciones adicionales y un enfoque en la optimizaci�n de la eficiencia y la sostenibilidad, los BPV podr�an convertirse en una opci�n viable para la generaci�n de energ�a limpia a gran escala en los pr�ximos a�os.

Palabras clave: Biofotovoltaica; energ�a renovable; eficiencia energ�tica; nanomateriales; sostenibilidad.

 

Abstract

The development and efficiency of biophotovoltaic devices (BPV) represent an emerging area in the field of renewable energy, with the potential to provide a clean and sustainable source of energy. This study focuses on assessing the state of the art of BPVs, identifying the most recent advances and the challenges that still persist, with the aim of offering a clear vision of their future in the global energy transition. The research was carried out through an exhaustive bibliographic review, which included the consultation of specialized databases such as Scopus, Scielo, Dialnet, and Google Scholar. A total of 863 relevant studies, published between 2000 and today, were analyzed, focusing on the development and efficiency variables of biophotovoltaic devices. The results of this review highlight significant advances in the design and materials of BPVs, especially in the integration of nanomaterials and modified photosynthetic organisms. However, the energy conversion efficiency of these devices remains low compared to other PV technologies, pointing to the need for further research in this area. Emerging trends and key challenges were also identified, such as standardization of assessment methods and improvement in the sustainability of the materials used.

Despite current challenges, biophotovoltaic devices have the potential to play a crucial role in the future of renewable energy. With further research and a focus on efficiency and sustainability optimization, BPVs could become a viable option for large-scale clean energy generation in the coming years.

Keywords: Biophotovoltaics; renewable energy; energy efficiency; nanomaterials; sustainability.

 

Resumo

O desenvolvimento e a efici�ncia dos dispositivos biofotovoltaicos (BPV) representam uma �rea emergente no dom�nio das energias renov�veis, com potencial para fornecer uma fonte de energia limpa e sustent�vel. Este estudo centra-se na avalia��o do estado da arte dos BPV, identificando os avan�os mais recentes e os desafios que ainda persistem, com o objetivo de oferecer uma vis�o clara do seu futuro na transi��o energ�tica global. A pesquisa foi realizada atrav�s de uma exaustiva revis�o bibliogr�fica, que incluiu a consulta de bases de dados especializadas como a Scopus, Scielo, Dialnet e Google Scholar. Foram analisados ​​863 estudos relevantes, publicados entre 2000 e a atualidade, focados nas vari�veis ​​de desenvolvimento e efici�ncia dos dispositivos biofotovoltaicos. Os resultados desta revis�o destacam avan�os significativos no design e nos materiais dos BPVs, especialmente na integra��o de nanomateriais e organismos fotossint�ticos modificados. No entanto, a efici�ncia de convers�o energ�tica destes dispositivos continua a ser baixa em compara��o com outras tecnologias fotovoltaicas, apontando para a necessidade de mais investiga��o nesta �rea. Foram ainda identificadas tend�ncias emergentes e principais desafios, como a uniformiza��o dos m�todos de avalia��o e a melhoria da sustentabilidade dos materiais utilizados.

Apesar dos desafios atuais, os dispositivos biofotovoltaicos t�m potencial para desempenhar um papel crucial no futuro das energias renov�veis. Com investiga��o adicional e um foco na otimiza��o da efici�ncia e da sustentabilidade, os BPV poder�o tornar-se uma op��o vi�vel para a gera��o de energia limpa em grande escala nos pr�ximos anos.

Palavras-chave: Biofotovoltaica; energia renov�vel; efici�ncia energ�tica; nanomateriais; sustentabilidade.

 

Introducci�n

La b�squeda de fuentes de energ�a sostenible ha cobrado una importancia crucial en la lucha contra el cambio clim�tico y la reducci�n de la dependencia de los combustibles f�siles. En este contexto, la biofotovoltaica emerge como una tecnolog�a prometedora que combina principios biol�gicos y fotovoltaicos para generar electricidad a partir de fuentes renovables (Pozo, 2021). Los dispositivos biofotovoltaicos (BPV) utilizan organismos fotosint�ticos, como algas o cianobacterias, integrados en sistemas que permiten la conversi�n de la energ�a solar en electricidad (Arias & Gir�n, 2019). Esta tecnolog�a no solo ofrece una alternativa ecol�gica, sino que tambi�n tiene el potencial de ser m�s econ�mica y escalable en comparaci�n con otras fuentes de energ�a renovable.

A medida que el mundo avanza hacia la transici�n energ�tica, es esencial explorar tecnolog�as emergentes como la biofotovoltaica, que podr�a desempe�ar un papel fundamental en la diversificaci�n del mix energ�tico global (Carranza, 2018). Sin embargo, para que la biofotovoltaica alcance su m�ximo potencial, es necesario abordar desaf�os t�cnicos y mejorar la eficiencia de los dispositivos existentes. Por lo tanto, este estudio se centra en el desarrollo y la eficiencia de los dispositivos biofotovoltaicos, analizando el estado actual de la tecnolog�a y las perspectivas futuras (Chere, Gruezo, Mart�nez, & Mercado, 2024).

El objetivo principal de este estudio es realizar una revisi�n exhaustiva del estado del arte en el desarrollo y la eficiencia de dispositivos biofotovoltaicos, identificando los avances m�s significativos y los desaf�os pendientes.

 

Materiales y M�todos

Este estudio se llev� a cabo mediante una revisi�n bibliogr�fica exhaustiva, con el objetivo de sintetizar el conocimiento existente sobre el desarrollo y la eficiencia de los dispositivos biofotovoltaicos (BPV) desde el a�o 2000 hasta la fecha. La revisi�n incluy� la consulta de bases de datos acad�micas especializadas, tales como Scopus, Scielo, Dialnet, y Google Scholar, las cuales son reconocidas por su cobertura de literatura cient�fica de alta calidad.

El proceso de selecci�n de estudios se inici� con la definici�n de criterios de inclusi�n espec�ficos. Se seleccionaron art�culos que abordaran directamente las variables de inter�s: desarrollo y eficiencia de dispositivos biofotovoltaicos. Se incluyeron estudios en diversos contextos, con especial �nfasis en aquellos que exploran aplicaciones educativas y tecnol�gicas, lo que result� en una recopilaci�n inicial de 863 trabajos relacionados.

Para asegurar la relevancia y calidad de los estudios, se establecieron los siguientes criterios adicionales de inclusi�n:

Per�odo de publicaci�n: Art�culos publicados entre el a�o 2000 y la fecha de corte del estudio.

Tipo de publicaci�n: Estudios revisados por pares, incluidos art�culos de investigaci�n originales, revisiones, y art�culos de conferencia relevantes.

Idioma: Solo se consideraron estudios en ingl�s y espa�ol, debido a la alta representatividad en la literatura cient�fica internacional.

Cobertura tem�tica: Se priorizaron estudios que abordaran la eficiencia energ�tica de los dispositivos, los avances en materiales y tecnolog�a, y las aplicaciones potenciales de la biofotovoltaica.

 

Procedimiento de s�ntesis

Una vez seleccionados los estudios relevantes, se procedi� a la s�ntesis de la informaci�n siguiendo un enfoque sistem�tico. En primer lugar, se agruparon los estudios en categor�as tem�ticas seg�n las variables clave: desarrollo de dispositivos, eficiencia energ�tica, materiales utilizados, y aplicaciones potenciales.

Cada grupo tem�tico fue revisado en detalle para identificar patrones, tendencias y avances significativos. La informaci�n se sintetiz� mediante la extracci�n de datos clave, tales como m�todos de investigaci�n, hallazgos principales, y recomendaciones de los autores. Se prest� especial atenci�n a la evoluci�n temporal de los desarrollos tecnol�gicos y a los factores que afectan la eficiencia de los dispositivos BPV.

Adem�s, se realiz� un an�lisis comparativo entre los diferentes estudios para evaluar la consistencia de los resultados y la convergencia de las conclusiones en torno a las mejores pr�cticas y los desaf�os comunes en el campo de la biofotovoltaica. Este procedimiento permiti� identificar las brechas de conocimiento y las �reas que requieren mayor investigaci�n, lo que se discutir� en las secciones posteriores del art�culo.

El enfoque metodol�gico adoptado garantiza una revisi�n exhaustiva y cr�tica de la literatura existente, proporcionando una base s�lida para las discusiones y conclusiones presentadas en este estudio.

 

Resultados

Desarrollo de dispositivos biofotovoltaicos

En los �ltimos a�os, se han logrado avances significativos en el desarrollo de dispositivos biofotovoltaicos (BPV). Estos avances incluyen mejoras tanto en el dise�o como en los materiales utilizados, lo que ha permitido un progreso en la eficiencia y viabilidad de esta tecnolog�a (Reinoso, 2019). Inicialmente, los BPV empleaban organismos fotosint�ticos como las cianobacterias y algas en configuraciones relativamente simples (Cristobal, 2021). Sin embargo, investigaciones recientes han explorado la integraci�n de estos organismos en estructuras m�s complejas y optimizadas, como electrodos modificados y nanomateriales conductores.

Se han reportado mejoras en la eficiencia de conversi�n energ�tica gracias a la optimizaci�n de los electrodos, que ahora permiten una transferencia de electrones m�s eficiente desde los organismos fotosint�ticos hacia el circuito externo (Safla, Arteaga, J�tiva, & Giler, 2023). Adem�s, el uso de materiales conductores como el grafeno y nanotubos de carbono ha demostrado un aumento en la conductividad y estabilidad de los dispositivos BPV, mejorando su rendimiento general (Gonz�lez et al., 2017).

Otro desarrollo significativo ha sido la ingenier�a gen�tica de organismos fotosint�ticos, que ha permitido aumentar la producci�n de electrones y optimizar las rutas metab�licas para una mayor generaci�n de energ�a. Estos avances, combinados con el uso de configuraciones modulares en el dise�o de los dispositivos, han permitido una escalabilidad mejorada, haciendo que los BPV sean una opci�n m�s viable para aplicaciones pr�cticas (Gonz�lez, 2023).

 

 

 

Eficiencia energ�tica

La eficiencia de conversi�n energ�tica en los dispositivos biofotovoltaicos sigue siendo un desaf�o clave en su desarrollo. Los estudios revisados muestran una amplia variabilidad en los niveles de eficiencia, dependiendo de los materiales y organismos utilizados, as� como de las condiciones experimentales (Sandoval-Ruiz, 2020). En general, las eficiencias reportadas oscilan entre el 0.1% y el 5%, siendo las cifras m�s altas obtenidas en dispositivos que utilizan materiales avanzados como nanopart�culas de metal y biopel�culas optimizadas (Le�n, 2022).

Algunos estudios han demostrado que la eficiencia puede incrementarse mediante el uso de luces LED especializadas que coinciden con los espectros de absorci�n de los organismos fotosint�ticos, optimizando as� la captura de luz (Zelada, 2022). Adem�s, se ha observado que la eficiencia energ�tica tiende a mejorar en dispositivos donde se emplean estrategias de cultivo continuo de los organismos fotosint�ticos, lo que permite un mantenimiento �ptimo de la actividad biol�gica (Mart�nez et al., 2022).

A pesar de estos avances, la eficiencia de los BPV sigue siendo inferior a la de otras tecnolog�as fotovoltaicas convencionales, lo que subraya la necesidad de continuar investigando para cerrar esta brecha y hacer que los BPV sean competitivos en t�rminos de rendimiento (Mart�nez et al., 2022).

 

Tendencias identificadas

Durante la revisi�n de la literatura, se identificaron varias tendencias emergentes en la investigaci�n y desarrollo de dispositivos biofotovoltaicos:

Una tendencia clave es la integraci�n de los BPV con otras tecnolog�as renovables, como celdas solares tradicionales, para crear sistemas h�bridos que maximicen la producci�n de energ�a y mejoren la estabilidad del suministro (Mart�nez et al., 2022).

Hay un creciente inter�s en la exploraci�n de materiales bioinspirados y nanomateriales que puedan mejorar la eficiencia de los dispositivos. Materiales como las prote�nas fotosint�ticas artificiales y los compuestos biocompatibles est�n siendo investigados por su potencial para incrementar la eficiencia de conversi�n energ�tica (Minaya & P�rez, 2024).

La investigaci�n tambi�n est� enfocada en la optimizaci�n de las condiciones de operaci�n, como la iluminaci�n, la temperatura y el pH, para maximizar la eficiencia de los BPV en diferentes entornos (Naranjo et al., 2018).

Un �rea emergente es la evaluaci�n de la sostenibilidad y la escalabilidad de los BPV para aplicaciones comerciales. Esto incluye estudios sobre el ciclo de vida de los materiales utilizados y la viabilidad econ�mica de la producci�n a gran escala.

Se ha identificado una tendencia creciente hacia el uso de BPV en aplicaciones en zonas rurales y comunidades desfavorecidas, donde la energ�a sostenible y de bajo costo es cr�tica (Neumeier).

Aunque se han logrado avances importantes en el desarrollo y la eficiencia de los dispositivos biofotovoltaicos, a�n existen desaf�os significativos que deben abordarse para que esta tecnolog�a pueda alcanzar su pleno potencial. Las tendencias actuales sugieren un enfoque multidisciplinario y la exploraci�n de nuevas fronteras tecnol�gicas para mejorar el rendimiento y la viabilidad de los BPV (Popovich, Martin, & Leonardi, 2017).

 

Discusi�n

Los resultados obtenidos en esta revisi�n bibliogr�fica muestran que, aunque los dispositivos biofotovoltaicos (BPV) han experimentado avances significativos en dise�o y materiales, la eficiencia de conversi�n energ�tica sigue siendo un desaf�o importante. La comparaci�n de estos hallazgos con la literatura existente confirma que, si bien las eficiencias reportadas han mejorado gradualmente, a�n son significativamente inferiores a las de otras tecnolog�as fotovoltaicas m�s maduras, como las celdas solares de silicio. Esto sugiere que, aunque se han realizado progresos en la optimizaci�n de los materiales y las configuraciones de los BPV, se necesita una mayor investigaci�n para cerrar la brecha de rendimiento con respecto a otras tecnolog�as.

La integraci�n de materiales avanzados como el grafeno y los nanotubos de carbono, as� como el uso de organismos fotosint�ticos gen�ticamente modificados, han demostrado ser estrategias efectivas para mejorar el rendimiento de los BPV. Sin embargo, la variabilidad en los resultados de eficiencia reportados en diferentes estudios indica que a�n no existe un consenso claro sobre las mejores pr�cticas en el dise�o de estos dispositivos. Esto subraya la necesidad de estandarizar los m�todos de evaluaci�n y las condiciones experimentales para obtener resultados m�s consistentes.

 

Implicaciones para el futuro

Los resultados de esta revisi�n tienen importantes implicaciones para el futuro desarrollo de la tecnolog�a biofotovoltaica. La continua investigaci�n en la optimizaci�n de materiales y dise�os podr�a llevar a aumentos significativos en la eficiencia energ�tica de los BPV, lo que a su vez podr�a hacer que esta tecnolog�a sea m�s competitiva frente a otras fuentes de energ�a renovable. Adem�s, la integraci�n de los BPV en sistemas h�bridos con otras tecnolog�as fotovoltaicas o renovables podr�a maximizar su utilidad, especialmente en aplicaciones espec�ficas donde la sostenibilidad y la compatibilidad con el entorno biol�gico son cruciales.

Otra implicaci�n clave es la necesidad de un enfoque m�s hol�stico que no solo se centre en la eficiencia, sino tambi�n en la sostenibilidad y la escalabilidad de los BPV. La adopci�n de materiales biocompatibles y procesos de fabricaci�n sostenibles podr�a mejorar la viabilidad comercial de los BPV y facilitar su integraci�n en sistemas energ�ticos a gran escala.

 

Limitaciones del estudio

Aunque esta revisi�n bibliogr�fica proporciona una visi�n integral del estado actual de la tecnolog�a biofotovoltaica, presenta algunas limitaciones. En primer lugar, el enfoque se centr� principalmente en estudios que abordan el desarrollo y la eficiencia de los BPV, lo que puede haber excluido investigaciones relevantes que se centran en otros aspectos, como la sostenibilidad econ�mica o las aplicaciones pr�cticas. Adem�s, el estudio se limit� a art�culos publicados en ingl�s y espa�ol, lo que podr�a haber restringido el acceso a investigaciones publicadas en otros idiomas.

Otra limitaci�n es la posible exclusi�n de estudios relevantes debido a la restricci�n temporal (a partir del a�o 2000). Aunque se eligi� esta fecha para asegurar la inclusi�n de las investigaciones m�s recientes, es posible que se hayan omitido trabajos pioneros que podr�an ofrecer perspectivas valiosas sobre el desarrollo temprano de los BPV.

 

Recomendaciones para la investigaci�n futura

Para avanzar en el desarrollo de dispositivos biofotovoltaicos, se recomienda lo siguiente:

Es crucial desarrollar y adoptar m�todos estandarizados para evaluar la eficiencia y el rendimiento de los BPV. Esto facilitar� la comparaci�n entre estudios y permitir� identificar con mayor claridad las pr�cticas m�s efectivas.

Se deber�a fomentar la colaboraci�n entre disciplinas como la biolog�a, la ingenier�a de materiales y la qu�mica, para explorar nuevas combinaciones de organismos fotosint�ticos y materiales avanzados que podr�an mejorar la eficiencia de los BPV.

La investigaci�n en materiales alternativos, como compuestos biocompatibles y nanomateriales, debe intensificarse para identificar opciones que puedan aumentar la eficiencia energ�tica sin comprometer la sostenibilidad.

Es necesario realizar estudios detallados sobre el ciclo de vida de los BPV, incluyendo el impacto ambiental de su producci�n y uso. Esto ayudar� a determinar la viabilidad de su implementaci�n a gran escala y a identificar �reas donde se puedan hacer mejoras.

Se recomienda explorar aplicaciones pr�cticas espec�ficas para los BPV, especialmente en �reas donde otras tecnolog�as renovables no son viables. Esto podr�a incluir su uso en entornos rurales o en aplicaciones de bajo consumo energ�tico.

 

Impacto potencial en el sector energ�tico

La biofotovoltaica tiene el potencial de ser una pieza clave en el futuro mix energ�tico, especialmente en el contexto de una transici�n hacia fuentes de energ�a m�s sostenibles. Aunque actualmente los BPV no son tan eficientes como otras tecnolog�as fotovoltaicas, su capacidad para ser integrados en sistemas biol�gicos y su potencial para la producci�n de energ�a en condiciones donde otras tecnolog�as fallan los convierte en una opci�n atractiva.

A medida que la investigaci�n contin�e y se superen los desaf�os actuales, los BPV podr�an desempe�ar un papel importante en la descentralizaci�n de la producci�n de energ�a, proporcionando una fuente de energ�a limpia y sostenible para comunidades aisladas o en �reas donde el impacto ambiental debe ser minimizado. En �ltima instancia, la biofotovoltaica podr�a contribuir significativamente a la reducci�n de las emisiones de carbono y al avance hacia una econom�a global m�s sostenible.

 

Conclusiones

Se han realizado progresos significativos en el dise�o y los materiales utilizados en los BPV, incluyendo la integraci�n de nanomateriales como el grafeno y el uso de organismos fotosint�ticos gen�ticamente modificados. Estas innovaciones han mejorado la eficiencia de los BPV, aunque siguen enfrentando desaf�os para igualar la eficiencia de otras tecnolog�as fotovoltaicas.

Los estudios revisados muestran una amplia variabilidad en la eficiencia de conversi�n energ�tica de los BPV, con rangos reportados entre el 0.1% y el 5%. Aunque existen casos de mejoras notables, la eficiencia general sigue siendo inferior a la de otras alternativas renovables, subrayando la necesidad de continuar optimizando tanto los materiales como los m�todos de operaci�n.

La investigaci�n reciente ha identificado varias tendencias prometedoras, como la integraci�n de tecnolog�as h�bridas, el desarrollo de nuevos materiales bioinspirados y la optimizaci�n de las condiciones de operaci�n de los BPV. Estas tendencias sugieren un futuro prometedor para la biofotovoltaica, siempre que se aborden los desaf�os t�cnicos y econ�micos actuales.

Las limitaciones identificadas en los estudios existentes, junto con la variabilidad en los resultados de eficiencia, indican que se requiere una mayor investigaci�n, especialmente en la estandarizaci�n de m�todos de evaluaci�n, la exploraci�n de nuevos materiales y el an�lisis de sostenibilidad.

Los dispositivos biofotovoltaicos a�n no han alcanzado su pleno potencial en t�rminos de eficiencia energ�tica y viabilidad comercial, los avances recientes y las tendencias emergentes ofrecen una base s�lida para el desarrollo futuro de esta tecnolog�a. Con el enfoque adecuado en la investigaci�n y la innovaci�n, los BPV podr�an convertirse en una fuente clave de energ�a sostenible en el futuro.

 

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� 2024 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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