Nuevas placas solares a punto de saltar del laboratorio a la industria
Los avances en materiales y técnicas para incrementar el rendimiento de las células solares están sentando las bases de una próxima revolución que mejorará el aprovechamiento de la energía solar
El físico Michio Kaku cataloga la humanidad actual como perteneciente a una civilización de tipo 0, que sólo es capaz de extraer la energía que la vida ha almacenado en forma de combustibles fósiles, carbón, petróleo e hidrocarburos en general. El siguiente paso se antoja gigantesco: una civilización de tipo I sería capaz de aprovechar casi toda la energía planetaria, la luz que baña enteramente la Tierra, incluso la energía de los volcanes, lo que le permitiría controlar el clima y construir ciudades submarinas. ¿Cuánto tiempo falta para que esta predicción se haga realidad? Sin hacer conjeturas sobre el futuro, queda claro que éste pasa por aprovechar la luz solar hasta unos niveles desconocidos de eficiencia.
En el mejor de los casos, el rendimiento de las células solares actuales hechas de silicio policristalino alcanzan en el laboratorio porcentajes del 18% -a escala industrial, este rendimiento baja entre el 13% y el 15%-. Sin embargo, eso no es suficiente: basta pensar que la luz que baña todo el planeta durante 40 minutos equivale a toda la energía que el mundo consume en un año. En estos tiempos prehistóricos, sin embargo, las investigaciones en nuevos materiales y técnicas para incrementar el rendimiento de las placas solares están sentando las bases de una revolución futura en el uso de la energía solar. Estos estudios buscan traspasar las fronteras del laboratorio para entrar en la industria y en el mercado de la energía. Algunos lo conseguirán; otros fracasarán. Hacemos aquí una lista de los avances que resultan más prometedores.
Diez veces más
Marc A. Baldo, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (EE UU), asegura que el rendimiento puede multiplicarse por 10, y esto podría suceder en unos tres años. Su investigación, publicada recientemente en la revista Science, describe un «concentrador solar» hecho de una mezcla de dos pigmentos que forman una pintura, extendida encima de un plástico o un vidrio. Se trata de un nuevo concepto de placas solares, para lo que hay que enumerar los inconvenientes de las convencionales. Éstas tienen que «seguir al sol» como los girasoles, orientándose para lograr el máximo rendimiento óptico; en el proceso, pueden quitar luz y dar sombra a otras placas. Para dotar a una casa de una cantidad digna de electricidad, es preciso cubrir todo un tejado. Y, para colmo, las células solares que están en el centro de los espejos necesitan refrigeración. De lo contrario, se freirían por el calor.
ALGÚN DÍA, UNA SIMPLE VENTANA EN UN EDIFICIO SE PODRÁ TRANSFORMAR EN UN COLECTOR DE ENERGÍA, DEJANDO PASAR LA LUZ Y CONCENTRÁN-DOLA EN LOS BORDES
Los pigmentos de esta extraordinaria pintura de Baldo son otra historia: absorben la luz en diferentes longitudes de onda, la despiden en otras frecuencias distintas y la luz viaja con pocas pérdidas hasta los cantos del cristal pintado. «La luz es recogida en una superficie grande, como puede ser una ventana, para concentrarse, posteriormente, en los cantos», ha comentado este experto. Placas sola-res que brillan en los bordes; desde luego, suena ingenioso. Es aquí donde las células solares se sitúan, en los propios cantos del cristal o del plástico, donde se concentra la luz. La recogen y transforman en electricidad sin necesidad de enfriarse por estar constantemente expuestas al sol.
El rendimiento es espectacular en comparación con las placas solares convencionales. Esta pintura, dependiendo de la mezcla de pigmentos añadidos, permite controlar de forma más eficaz la absorción y la emisión de la luz. Las células solares en los bordes producen 10 veces más energía eléctrica que las convencionales, debido a que reciben 10 veces más la energía. «Podemos hacer que la luz viaje con esta mezcla a mayores distancias, y hemos reducido de forma sustancial las pérdidas, por lo que conseguimos 10 veces más energía que puede ser convertida por las células», indica Baldo. Las células sola-res convencionales, en combinación con este pigmento energético, podrían ver aumentado su rendimiento eléctrico hasta el 40% o el 50%. Algún día, una simple ventana en un edificio se podrá transformar en un colector de energía, dejando pasar la luz y concentrándola en los bordes. «El trabajo del profesor Baldo se basa en un diseño muy innovador para lograr una conversión de luz en electricidad sin tener que realizar un rastreo óptico», ha comentado Avarinda Kini, director de la Oficina de Ciencias y Energía Básica del Departamento de Energía de Estados Unidos.
Nanotubos de carbono
La investigación de Paul McEuen y Jiwoong Park, de la Universidad de Cornell en Nueva York (EE UU), entra en el terreno de la física básica que sucede cuando un nanotubo de carbono entra a formar parte de la construcción de un fotodiodo. El nanotubo es esencialmente una tubería minúscula hecha de grafeno del tamaño de una molécula de ADN. Al recibir el impacto de un láser, los electrones se excitaron y formaron una corriente eléctrica, excitando energéticamente a la vez otros electrones, que se unieron a la corriente eléctrica. Este minúsculo nanotubo, de acuerdo con los expertos, podría convertirse en la célula fotovoltaica ideal ya que permite a los electrones «crear más electrones» a partir de la luz. En las placas convencionales, mucha energía se pierde en forma de calor, cosa que aquí no ocurre. Es un ejemplo de lo que ahora se está logrando en el laboratorio, pero el desafío de lograr placas de nanotubo a escala industrial está aún lejos. «Lo que hemos observado es la física que está sucediendo», indica el propio Gabor.
Polímeros de plata
Sustituir la base de silicio como material de las placas por materiales plásticos y polímeros flexibles permitiría construir células solares mucho más flexibles y adaptables a cualquier superficie. El problema es que, hasta ahora, el rendimiento de estos polímeros captadores de luz resulta aún bastante bajo. «Incluso los mejores materiales tienen una eficiencia media del 5%», ha indicado Paul Berger, profesor de ingeniería eléctrica de la Universidad de Ohio (EE UU). «A pesar de que fabricar los polímeros es más barato en comparación con otros materiales de las células sola-res, necesitas incrementar esa eficiencia hasta, al menos, el 10% para que sea rentable. Los polímeros actuales absorben sólo una fracción de la luz solar que llega». Berger es el creador de una técnica que permite a los polímeros incrementar su rendimiento. ¿Cómo? Añadiendo nanopartículas de plata. Su investigación ha demostrado que un polímero rinde 6,2 miliamperios por centímetro cuadrado, pero con la plata, el material genera 7 miliamperios. Puede parecer un incremento escaso, pero los cálculos realizados por Berger en la revista Solar Energy Materials and Solar Cells aseguran que ese aumento se traduce en el 12% más de corriente eléctrica, aunque matiza que no significa que en una placa ese incremento se traslade literal-mente en este porcentaje, puesto que siguen existiendo problemas a escalas mayores. Sin embargo, su investigación demuestra que la plata puede aumentar el rendimiento de casi cualquier placa solar, gracias a la técnica empleada -se micro-capsula cada partícula de plata en un tipo de polímero que es diferente del que forma la propia placa, y al colocarse debajo, esas partículas así encapsuladas forman un mosaico regular que mejora la absorción de luz-.
Silicio líquido
El silicio no debe ser descartado por el futuro, ya que tiene enormes ventajas. Es increíblemente abundante en la Tierra, no contamina y, además, tiene propiedades semiconductoras, lo que le sitúa en el corazón de la microelectrónica actual. Conrad Burke, un físico irlandés que ha fundado la compañía Innovalight, en EE UU, cree que el futuro de la energía solar radica en el silicio… en forma líquida: tintas de silicio. «Es una forma radicalmente nueva de aplicar un material semiconductor», indicó a la cadena Discovery Channel. La técnica consiste en disponer de nanocristales de silicio y convertirlos en una especie de tinta, de manera que la placa solar puede construirse sobre cualquier superficie mediante la impresión con esa tinta especial. Eso ha hecho que los costes para fabricar una placa solar disminuyan notablemente. «De esta forma, podemos depositar una película semiconductora de forma más rápida usando menos material y fabricar células solares más baratas», asegura el experto. La técnica permite convertir cualquier superficie en una placa solar. Por ejemplo, pintar los tejados con esta pintura energética con un coste 10 veces menor al convencional.
Plásticos fotovoltaicos
De lo último. El premio Nobel de Química 2000, Alan Heeger, ha indicado a Science news que el coste de instalar un tejado solar con placas convencionales es «demasiado alto, ya que se tarda en recuperar la inversión entre 8 y 10 años». Heeger es el cofundador de una compañía, Konarka, y obtuvo el máximo galardón del mundo científico gracias a su investigación sobre los polímeros conductores. Heeger ha desarrollado una serie de plásticos solares impregnados con diversas tintas que les dan capacidad fotovoltaica, cuyo coste de fabricación es mucho menor. Básicamente, son películas flexibles que pueden imprimirse como un periódico y pegarse en bolsas, teléfonos móviles, paraguas, sombrillas, teléfonos móviles paredes, etcétera. El sueño de Heeger es lograr algún día que cualquier persona en cualquier país del mundo pueda cultivar tranquilamente la energía del sol. «Con estos plásticos energéticos, la energía solar no es algo que precisa de un mercado separado y constreñido por el peso, el tamaño, la rigidez o los problemas de instalación», indica Tracy Wemmet, portavoz de la compañía Kokarka. El rendimiento de estos plásticos es del 6,4%, pero en el futuro se alcanzarán rendimientos notables, del 10% de la luz solar convertida en electricidad.
