NeoFronteras

Científicos norteamericanos exponen en un congreso los últimos avances y proyectos en energía solar.

Usando nanoestructuras se puede obtener hidrógeno del agua a partir de luz solar. Foto: Helios, LBNL image.

Parece que la energía solar está de moda en los EEUU y que los biocombustibles están en decadencia, al menos entre la comunidad científica.
En el congreso anual de la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia (AAAS) celebrado el pasado febrero hubo numerosas sesiones sobre energía solar. La conclusión que se puede sacar de todas ellas es que se puede reducir drásticamente las emisiones de dióxido de carbono si se adopta la energía solar como fuente de energía.
Según Nathan Lewis, que trabaja en fotosíntesis artificial en el Instituto Tecnológico de California, nada es comparable a la energía solar. En una hora el Sol transmite a la Tierra tanta energía como la que consumimos todos los humanos en un año.
Pero ahora mismo la energía solar térmica y fotovoltaica representa sólo un 0,1% del suministro de energía de EEUU.
En otra sesión Paul Alivisatos de la Universidad de Berkeley describió un nuevo proyecto de investigación sobre células solares, baterías y sistemas de transmisión que tratará de evitar las limitaciones tecnológicas de este tipo de energía y de encontrar sistemas más eficientes.
Según él este es uno de los momentos más excitantes en investigación energética, no sólo porque muchos científicos de su país reciben más dinero para investigar sobe este tema, sino además porque se pretende hacer a EEUU autosuficiente energéticamente y a la vez disminuir la emisión de gases de efecto invernadero.
Este investigador habló sobre materiales nanoestructurados para la generación de combustible a partir del Sol y mostró cómo en su laboratorio se ha aumentado la eficacia de las células solares.
Las plantas son muy ineficientes a la hora de convertir luz solar en energía química. Sólo consiguen fijar un 1% de la energía recibida, con este rendimiento utilizar cultivos para la producción de biocombustibles es un error. Es mucho mejor cubrir esa superficie con células solares, el problema es su coste.

Cubriendo una superficie de 24 millones de Ha con células fotovoltaicas de polímero con un 8% de eficacia se podrían suministrar las necesidades energéticas de los EEUU. El cuadrado naranja del desierto californiano podría cubrir las necesidades de ese estado incluso con células solares de 1% de eficacia o las necesidades de todo el país con células con un 6% de rendimiento. Foto: Alivisatos lab, UC Berkeley image.

Nathan Lewis afirma que de momento no podemos afrontar ese gasto, pero pronto no podremos afrontar no tener esta tecnología. Según él hace falta más investigación y desarrollo para abaratar el precio de la energía solar fotovoltaica.
Ahora mismo la tecnología fotovoltaica de silicio es capaz de convertir luz en electricidad con un 25% de eficacia. Ya hay células multicapa que llegan a más de un 40% y se especula poder llegar a un 50% con ese tipo de células. Pero estas células multicapa está fabricadas con elementos raros y son caras de producir. Por eso sólo se utilizan en satélites.
Las mucho más baratas células de polímeros (de plástico) pueden ya convertir luz solar en electricidad con una eficacia del 5%, según Alivisatos. Asumiendo un incremento de este rendimiento de hasta un 8% Alivisatos calcula que la demanda total eléctrica de 3,2 teravatios de EEUU podría suplirse cubriendo 24 millones de hectáreas de células solares de este tipo. Este área representa un cuarto de los campos de cultivos de EEUU, pero el plan es usar tierras marginales y desierto para hacerlo.
Para evitar cubrir esa inmensa superficie habría que fabricar células más baratas y más eficientes. La meta de Alivisatos es producirlas usando nanomateriales o incluso usar este mismo tipo de materiales para realizar fotosíntesis artificial y descomponer el agua en oxígeno e hidrógeno directamente a través de la luz solar y producir finalmente metano como combustible.
Es más sencillo conseguir nanocristales perfectos de silicio que conseguir monocristales grandes de este mismo material (manera usual de fabricar las células de silicio). Es la misma razón por la cual los diamantes más baratos son pequeños, ya que es más fácil para la Naturaleza conseguir uno de estos pequeños diamantes sin defectos que conseguir uno grande que no los tenga.
A día de hoy las películas delgadas fotovoltaicas hechas de semiconductores exóticos en lo que se utilizan elementos como cobre, indio, galio, cadmio, telurio y selenio son igualmente caras y difíciles de obtener.
Los nanocristales, nanobastones y nanohilos son mucho más fáciles y baratos de producir, pero la dificultad estriba en cómo empaquetarlos en una película y hacer que las cargas electrícas pasen de unos a otros y no se quede “atascada”, perdiéndose corriente eléctrica en el proceso. Nuevos materiales de plomo, selenio y azufre tiene eficacias del 1 al 3%, pero pueden ser mejorados sustancialmente. Además el tóxico plomo puede ser sustituido por estaño. En otros estudios se muestra que incluso la barata pirita puede usarse en forma de nanocristales para producir electricidad. La tecnología de películas delgadas puede mejorar en el futuro y ser escalada para abaratarla y hacer que esté disponible.
Más ambicioso es el proyecto Helios de fotosíntesis artificial que trata de recrear una hoja vegetal que convierta luz solar en hidrógeno. El grupo de Alivisatos ha mostrado que usando nanobastones de cobalto se puede conseguir esta producción de hidrógeno, y el grupo de Peidong Yang ha demostrado lo mismo con nanohilos de titanio cubiertos de silicio. Al parecer incluso se podría hacer un sistema integrado con pila de combustible.
Esperemos que todos ellos tengan éxito.

Fuentes y referencias:
Noticia en la Universidad de Berkeley.