¿Nanoceldas fotovoltaicas?
Por
Elena Vigil Santos*
Celdas solares fotovoltaicas de nuevo tipo:
un ejemplo de aplicación de la nanociencia
y la nanotecnología.
En el campo de las investigaciones científicas ya es una realidad que la nanociencia y la nanotecnología, que según se pronostica provocarán una revolución tecnológica de la sociedad, inciden en una diversidad muy grande de temas de estudio, siendo el desarrollo de nuevos materiales una dirección que abre posibilidades ilimitadas. | |

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Es bueno aclarar que el prefijo nano implica dimensiones del orden de una millonésima de milímetro, y el desarrollo científico ha posibilitado trabajar, controlar y modificar las sustancias a esta escala, o sea, a nivel de unos pocos átomos o moléculas.
Debido a que las propiedades de un material están determinadas por el ordenamiento
y agrupación de sus átomos, los materiales nanoestructurados poseen características muy diferentes y variables en dependencia de ese ordenamiento. Así, por ejemplo, el oro no tiene que ser dorado, puede asumir colores diversos de acuerdo con las dimensiones de los granos o pequeñísimas estructuras que lo forman; por solo citar un ejemplo dentro de esa multiplicidad de posibilidades.
La transformación directa de la energía de la radiación solar en energía térmica, fotovoltaica o fotoquímica, se realiza utilizando materiales diversos, cuyo costo y eficiencia de conversión son determinantes. A la vez, la eficiencia de los mismos depende de su composición química y estructural, o sea, de su ordenamiento. Por ejemplo, el silicio utilizado en las celdas solares fotovoltaicas tiene que poseer un alto grado de pureza,
y un orden periódico perfecto de sus átomos en la escala de los centímetros o más.
Estos factores contribuyen al relativo alto costo de estas celdas, debido a que requieren procesos de alta temperatura y otras condiciones experimentales necesarias para lograr
la pureza y perfección cristalina requeridas. Aunque en el futuro se aplicarán materiales nanoestructurados en las tres conversiones directas de la radiación solar mencionadas, nos referiremos a las muy estudiadas actualmente celdas solares nanoestructuradas
de bajo costo, que muestran ya algún adelanto en su introducción.
En 1991 se reportó por primera vez una celda solar de dióxido de titanio nanoestructurado sensibilizado con un colorante orgánico, que utiliza mecanismos de transferir electrones similares a los que ocurren durante la fotosíntesis en las plantas, y diferentes a los que ocurren en las celdas fotovoltaicas tradicionales, debido precisamente a su nanoestructura. Esta celda solar ha generado un nuevo campo de investigación científica multidisciplinar; además, por su bajo costo de producción, unido a una eficiencia de conversión superior a 10%, se perfila como una importante nueva tecnología para la conversión fotovoltaica. Estos dispositivos podrían proporcionar energía solar más
barata a gran escala, ya que emplean materiales no muy puros y procesos de construcciónbastante simples que no requieren de altas temperaturas, a la vez que pueden procesarse grandes áreas con técnicas similares a las de imprimir papel.
Aunque hasta ahora no se han logrado eficiencia de conversión fotovoltaica y durabilidad suficientes para una introducción masiva en el mercado actual de la energía solar,
se espera un cambio en esto, por tratarse de investigaciones recientes pero con un progreso muy rápido. Por otra parte, estas celdas poseen características no alcanzables con las tecnologías convencionales de silicio, utilizadas en alrededor de 90% de todas las celdas solares que se comercializan. Estas celdas nanocristalinas en base a dióxido de titanio pueden ser flexibles o no, transparentes, poseer grandes áreas, diversos colores
y menor peso. Los materiales que las componen son inocuos, no contaminantes.
Por estas características están generando aplicaciones novedosas y nuevos nichos de mercado basados en ellas. Por ejemplo, se integran en ventanas y elementos arquitectónicos ornamentales, se fabrican uniformes militares con «telas» que producen energía para alimentar el equipamiento portátil de los soldados.

Actualmente se trabaja intensamente
en
investigaciones nanocientíficas y nanotecnológicas.
Respecto a su introducción en la producción, en varios países, como Japón, Estados Unidos, Australia, Reino Unido, Suiza y China, existen ya empresas para la fabricación
y comercialización de estas celdas nanoestructuradas.
El gran número de patentes registradas anualmente, por ejemplo, más de 300 en el 2005, así como el desarrollo de conferencias y reuniones dedicadas solo a su industrialización, reflejan también la importancia que se le está concediendo a sus perspectivas. Japón figura a la cabeza de su introducción, con tres firmas trabajando en ello, Sony, AIST y Peccel, y la aspiración de obtener 10% del mercado, que significaría 200 millones de USD para Japón. Los costos de producción actuales son de 120-150 euros/m2 y se pronostica una reducción a 70-90 euros/m2 si se cuadruplica la capacidad productiva de la instalación a 4 MWp/año. Se aspira a lograr un costo del Wp menor que 1 USD.
Tratándose de un proceso tecnológico sencillo para la obtención de celdas, siendo los materiales y el equipamiento requeridos mucho más baratos, y no habiendo alcanzado madurez su desarrollo industrial (tecnología joven), se le concede una alta prioridad a las investigaciones. Estas abarcan la optimización del semiconductor nanoestructurado que utilizan, del colorante que lo sensibiliza y de los contactos eléctricos.
Uno de los componentes de estas celdas nanocristalinas es una capa finísima de un electrolito líquido que interpenetra los poros del material nanocristalino. Este electrolito es volátil y agresivo, por lo que la vida útil está entre 5-10 años, y el sellaje y encapsulado de las celdas y módulos constituyen un gran reto investigativo.
Una dirección importante de trabajo es el desarrollo de celdas nanocristalinas completamente sólidas. Para lograrlo se siguen diferentes vías, sustituyendo sólo al electrolito o sustituyendo tanto a éste como al sensibilizador. Los trabajos investigativos actuales abarcan tanto la ciencia y la tecnología experimental de materiales, como la teoría.
No está completamente explicado el funcionamiento de las celdas nanoestructuradas, diferente al de las celdas fotovoltaicas tradicionales, y conocerlo redundaría en la posibilidad de mejorar su eficiencia, vida útil e incluso su costo.
En Cuba, desde finales de la década de los noventas un pequeño grupo del Instituto
de Ciencia y Tecnología de Materiales, de la Universidad de La Habana, se ocupa de las investigaciones de estas novedosas celdas solares nanoestructuradas, con el objetivo de mantenerse actualizado en esta temática, y formar especialistas (licenciados, másteres en ciencia y doctores). Se han concluido dos proyectos del Programa de Energía Sostenible, que dirige el Ministerio de Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente (CITMA),
y del trabajo realizado se han derivado varias publicaciones en revistas internacionales
de impacto que cuentan con más de cien citas.
Las nanoceldas se integran en ventanas y elementos
arquitectónicos ornamentales, entre otros usos.
Con lo expuesto se ilustra la importancia de la nanociencia y nanotecnología sólo en una de sus infinitas posibilidades, como nuevos materiales para la conversión directa
de la radiación solar. Posibilidad a la que habrá que continuar siguiéndole el rastro
de su desarrollo, por sus grandes perspectivas. Por otra parte, sería muy conveniente poder ampliar las investigaciones en nanomateriales utilizables para el aprovechamiento
de la radiación solar con fines energéticos. Una dirección importantísima, por ejemplo,
es la conversión fotoquímica para la producción de hidrógeno a partir del agua, o sea,
materiales nanoestructurados que logran la fotólisis del agua. El dominio de estas tecnologías puede representar, en el futuro, la independencia energética de nuestro país.
* Doctora en Ciencias Físicas. Presidenta de la Cátedra de Energía Solar, Instituto de Ciencia y Tecnología de Materiales, Facultad de Física, Universidad de La Habana, Cuba.
e-mail: evigil@fisica.uh.cu |