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Actualidad fotovoltaica

Área: Tecnología — miércoles, 23 de febrero de 2011

Se sigue investigando en distintas aproximaciones a la energía solar fotovoltaica para que algún día ésta sea rentable y barata.

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Muchos grupos de investigadores siguen estudiando sobre la posibilidad de conseguir una energía solar barata. Los logros que pasamos a relatar a continuación representan sólo una pequeña parte del esfuerzo realizado en los últimos meses.

Zanjas de energía

Uno de los inconvenientes de las células solares fotovoltaicas de semiconductores, además de su precio, es el escaso rendimiento que tienen. Casi toda la energía que incide simplemente se pierde en forma de calor. Esto se debe a que la zanja de energía que hay entre la banda de valencia y conducción de un semiconductor es fija. Si se recibe un fotón con menor energía que esa zanja un electrón no puede pasar de una banda a otra, no lo absorbe y esa energía se pierde en forma de calor. Sólo con fotones de energía igual o superior a esa zanja de energía se consigue movilizar cargas y, por tanto, producir electricidad. Recordemos que la energía de un fotón es directamente proporcional a su frecuencia, por lo que fotones de ciertos colores no producen energía en estas células al no ser absorbidos por los electrones.
La solución típica a este problema se consigue con células multicapas en las que se crean un sándwich de varios semiconductores con distintas zanjas de energía, de este modo si un fotón no es captado por una capa lo será por otra, absorbiéndose así fotones de una gran variedad de colores (frecuencias). Con este sistema se llega a rendimientos muy elevados de más del 40%, pero el proceso de fabricación hace que estas células sean carísimas, pues llegan a constar de hasta 18 láminas distintas. La única posibilidad comercial para este tipo de células es usarlas en sistemas con concentradores ópticos que complican todo el sistema.

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Esquema en donde se muestran las bandas y zanja de energía de un semiconductor tradicional (izquierda) y uno con banda intermedia (derecha). El segundo puede absorber distintas gamas de frecuencias.

Wladek Walukiewicz del Lawrence Berkeley National Laboratory está estudiando una nueva aproximación al problema [1]. La idea es no usar multicapas, sino un semiconductor aleado que contenga una banda de energía intermedia situada entre las dos habituales y que permita absorber fotones de varias gamas de frecuencias a la vez. Lo logra usando aleaciones de GaNAs
De momento es materia de investigación y no se ha comercializado, pero quizás sea una solución mucho más barata que las células multicapas en un futuro próximo.

Plasmones

Quizás sea interesante tratar de mejorar la absorción de la luz por parte de las células fotovoltaícas, independientemente del tipo que sean, tal y como lo están haciendo investigadores de la universidad de Stanford [2]. La idea de Mike McGehee, Yi Cui, Mark Brongersma y Michael Graetzel es usar plasmones para producir energía solar de forma barata con células fotovoltaica de lámina delgada.
Gracias al uso de plasmones se puede absorber luz con láminas muy delgadas que usen muy poco material. El uso de plasmones se está investigando mucho en la actualidad por sus aplicaciones en dieléctricos, telecomunicaciones, computación y microelectrónica.
Los plasmones no son más que estados excitados, oscilaciones de plasma, de los electrones de los metales cuando sobre ellos incide la luz. Se puede decir que un plasmón es una cuasipartícula. Todos experimentamos un poco lo que son los plasmones todas las mañanas en el espejo del cuarto de baño. Un espejo no es más que un vidrio con un recubrimiento metálico por detrás. Cuando la luz incide sobre esa lámina los electrones del metal reaccionan oscilando y hacen que los fotones de luz reboten. Cuando la luz ilumina una estructura metálica nanoestructurada estos electrones difunden la luz en muchas direcciones. Y es este efecto el que se podría aplicar a las células solares. La idea es aumentar la complejidad de estas nanoestructuras para manipular el flujo de luz con gran control y que el material fotovoltaico absorba así mucha más luz.

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Fotografía de microscopio electrónico de barrido de las nanocúpulas. Fuente: Universidad de Stanford.

Estos investigadores han estado experimentando con láminas de oxido de titanio y de hierro para crear unos patrones compuestos por pequeñas hendiduras periódicas practicadas en ellas. Una capa de pigmento sensible a la luz rellena esas hendiduras y otra capa de plata completa el sistema. El aspecto final es un patrón hexagonal de nanocúpulas. Esta superficie de nanocúpulas capta la luz de todas las direcciones y la envía al pigmento responsable de producir electricidad. El tamaño, altura y disposición de estas cupulitas están pensados para optimizar la plasmónica del dispositivo.
La luz pasa por la capa de óxido de titanio y parte es transformada en corriente eléctrica, pero los fotones que se escapan son devueltos por la capa de cúpulas de plata (gracias a los plasmones) del otro lado, para que así produzcan electricidad.
Estas células fotovoltaicas no son más que las típicas fabricadas con pigmentos, células muy baratas, pero de vida corta y bajo rendimiento. Pueden adoptar todo tipo de formas, y además los materiales necesarios para su fabricación son baratos, abundantes y no tóxicos. Este nuevo sistema permite aumentar el rendimiento de dichas células.
La mejor de las células de pigmentos tiene un rendimiento del 8%, mientras que las de silicio llegan al 25% (un 40% en sistemas multicapas). Las células de pigmentos pueden durar unos 7 años bajo los elementos atmosféricos, mientras que las comerciales pueden llegar a durar de 20 a 30 años.
Con el nuevo sistema se llega a un rendimiento de células de pigmento del 15% y aumenta un poco su vida útil. Todavía queda tiempo para la comercialización de esta idea, al fin y al cabo la primera célula de pigmento se creó e 1991.

Efecto termoeléctrico

Otra idea puede ser usar el efecto termoeléctrico mediante el cual se transforma un flujo de calor en corriente eléctrica directamente (con permiso de la existencia de un foco frío y la de Termodinámica). Investigadores del Laboratorio Ames han conseguido mejorar el rendimiento de este tipo de dispositivos en un 25% [3][4].
El efecto Seebeck, mediante el cual se transforma calor en electricidad se conoce desde el siglo XIX y ha sido usado en muchos dispositivos. Así por ejemplo, las sondas que se envían al Sistema Solar exterior, en donde no casi no hay luz del sol, están alimentadas por radiosótopos que producen calor y un sistema termoléctrico que lo aprovecha.
El efecto contrario (o efecto Peltier) permite bombear calor cuando se aplica una corriente y en la actualidad se usa para refrigerar microprocesadores.
El problema del efecto Seebeck es que su rendimiento es muy bajo, pero si se lograra aumentar su rendimiento lo suficiente se podría usar en automóviles, minicentrales solares o en cualquier foco de calor o fuente de calor residual.
Los elementos químicos típicos usados hasta ahora en el efecto Seebeck son el telurio, antimonio, germanio y plata (TAGS). La situación cambió cuando los expertos del Ames descubrieron en 2010 que el añadido de cerio o iterbio mejoraba considerablemente la eficacia de estos sistemas. Todavía no saben los mecanismos mediante el cual este dopado mejora la eficiencia, aunque saben que estos elementos deforman la red cristalina y que el magnetismo podría jugar algún papel.
Los elementos de las tierras raras están malditos por tener ese nombre. Pese a que no son escasos en la corteza terrestre el miedo a un posible corte en su suministro ha retrasado la investigación y desarrollo de materiales que los usen.

Fotosíntesis artificial

Una aproximación novedosa sería abandonar los semiconductores y la Física de Estado Sólido, pasarse a compuestos orgánicos e imitar la fotosíntesis de las plantas. Jong Hyun Choi y su equipo de Purdue University ha creado un sistema de fotosíntesis artificial a partir de nanotubos de carbono y ADN [5][6]. Se supone que esta aproximación reduciría el coste de la energía solar en una futura y lejana comercialización.
Las células fotoelectroquímicas convierten la luz del sol en electricidad pero usan un electrolito para transportar los electrones y crear corriente. Estas células contienen cromóforos, que son moléculas orgánicas pigmentarias que absorben la luz del sol y hacen las veces de la clorofila cuando son expuestas a la luz, pero esta misma exposición a la luz las degrada. Éste es el punto débil de esta tecnología.

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Esquema del sistema. Fuente: Nature.

La nueva idea de este grupo de investigadores soluciona el problema de tener que estar aportando continuamente desde el exterior el pigmento para reemplazar al que se degrada. Básicamente consiste en un proceso de autorreparación que permite a las células producir electricidad continuamente.
En esta tecnología los nanotubos de carbono funcionan como plataforma donde depositar hebras de ADN. Estas secuencias de ADN están diseñadas para reconocer específicamente determinadas moléculas y unirse a ellas. Cuando el ADN reconoce estas moléculas el sistema automáticamente las ensambla entre sí formando el cromóforo. Según los cromóforos son degradados pueden ser lavados con una técnica similar de ADN para así formar nuevos cromóforos, y así sucesivamente.
Como es difícil y caro usar cromóforos de origen biológico, estos investigadores están ya investigando ahora el uso de otros de origen sintético.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=3404

Fuentes y referencias:
Foto cabecera: por Rob Baxter, vía Flickr.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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13 Comentarios

  1. joabbl:

    Muy interesante, pero hay que darse prisa. El tiempo corre contra nosotros y da la impresión de que todos los frentes para generar energía sostenible siguen abiertos y ninguno termina de cuajar. En fin, está claro que es difícil, muy difícil.

    Saludos sostenibles

  2. NeoFronteras:

    Lo malo de la ciencia es que no se puede improvisar. Se necesitan años de investigación para cualquier cosa. Si hace años se hubiera invertido más en este tipo de tecnologías quizás ya tendríamos la solución. Pero era difícil invertir en estas cosas cuando el petroleo era barato.

  3. Manuel Baselga:

    Buen artículo, pero me permito discrepar sobre la apreciación de que las células fotovoltaicas tienen poco rendimiento. Un 15% puede parecer poco, pero es unas 20 veces más que el rendimiento de conversión energética de la fotosíntesis, y unos dos órdenes de magnitud en términos de energía primaria desde la fuente primigenia (el sol) si contamos todas las fases intermedias entre el sol y la aplicación final. Puesto que toda la energía que usamos procede en última instancia del sol, si lo pensamos bien, incluso con los rendimientos de las células comerciales más baratas la conversión de la energía solar en energía utilizable para aplicaciones prácticas es muchísimo más eficiente con células fotovoltaicas que a través del alambicado y larguísimo proceso biológico-técnico plantas-animales-petróleo-refino-combustión-máquinas. Naturalmente, sería estupendo poder aprovechar casi el 100% de esa energía incidente, pero incluso un 15% es un aprovechamiento excelente, porque la energía que se produce es directamente de alta calidad (la electricidad), y además se obtiene de forma instantánea, sin pasar por procesos intermedios.

    Por eso soy un tanto escéptico con los biocombustibles, incluso los de última generación basados en microalgas de gran eficiencia de conversión energética. Por mucho que se optimice ese rendimiento, al final el rendimiento de la fotosíntesis es mediocre, por lo que el porcentaje de energía primaria por unidad de superficie siempre va a ser mucho menor que el de las células fotovoltaicas, y además los procesos intermedios son mucho más complejos.

    Saludos

  4. NeoFronteras:

    Estimado Manuel Baselga:
    Teóricamente tiene razón, pero además del rendimiento hay que considerar el costo de fabricación y la superficie necesaria.
    Si el rendimiento es bajo o moderado (incluso un 10% o más) el costo de fabricación no es compensado por la energía que se obtiene.
    La ventaja de la fotosíntesis es que el coste de las plantas es prácticamente cero. Uno las siembra y ellas se encargan de producir algo al cabo de un tiempo, aunque sea con muy bajo rendimiento. Dicho con todas las precauciones, pues los biocombustibles son muy discutibles desde el punto de vista ecológico.
    Además, a menor rendimiento más superficie se necesita para cubrir la energía y potencia que se necesita. Si cubriendo todo el tejado de una casa unifamiliar no se consigue el autobastecimiento entonces esta energía no es práctica. Y si nos vamos al campo cubrimos terreno que sirve para producir otras cosas como productos agrícolas o ganaderos.

  5. Manuel Baselga:

    Por supuesto que el coste de un sistema fotovoltaico es considerablemente mayor que el de una planta, pero tampoco es cierto que las plantas produzcan casi gratis. Ocupan mucho espacio, requieren fertilizantes y plaguicidas (procedentes del petróleo en gran medida) para conseguir un rendimiento apropiado, consumen agua, que en determinadas regiones puede ser un recurso muy valioso, requieren bastante mano de obra para la siembra, recolección y tratamiento, y las grandes plantaciones desplazan masivamente a otras especies del ecosistema.

    La superficie de una vivienda unifamiliar media es más que suficiente para cubrir sus necesidades energéticas exclusivamente con energía fotovoltaica. Y el coste no es tan disparatado como muchos piensan. El abaratamiento de esta tecnología en los últimos cinco años ha sido espectacular, y la curva de precios parece seguir una dinámica similar a la Ley de Moore en informática, por lo que es de esperar que en la próxima década los costes se reduzcan mucho más.

    Actualmente, el coste de fabricación (que no de venta) de una célula fotovoltaica media con un rendimiento del 17% está ya en el entorno del dólar por Watio-pico en los fabricantes más eficientes, y es posible establecer sistemas instalados completos con un precio final en el entorno de los 4 Euros. En un país como España, cada metro cuadrado de células puede producir al año unos 250 kWh. Si el consumo medio de un hogar razonablemente eficiente es de 3000 kwh/año, eso significa que bastarían 12 m2 de ocupación de tejado (2000 Wp) para cubrirlo. Actualmente eso puede suponer una inversión de unos 8.000 Euros, que al precio actual de la electricidad equivale a unos 50.000 kWh, el consumo eléctrico de unos 18 años, que es menos de lo que dura una placa. Esa es más o menos la cuenta a día de hoy. Cuando el precio por Wp descienda a unos 2 Euros, el plazo de amortización se situará en torno a los 10 años, y durante el resto de la vida útil la energía será gratis. Y no he considerado en ningún caso las subvenciones o primas.

    Las cuentas salen. El problema es que la inversión inicial en este tipo de sistemas es muy fuerte, pues todo el gasto se concentra al principio, y en la situación actual una financiación a 20 años para un recurso productivo no es plato de gusto para los bancos.

    Saludos

  6. Manuel Baselga:

    Tampoco es exacto que el coste de fabricación de una célula de bajo rendimiento no compense la energía que se obtiene. Únicamente aumenta la superficie ocupada, pero los números siguen saliendo. Los últimos desarrollos en células solares orgánicas, que no son sino plásticos, apuntan a un coste bajísimo (de hasta 0,5 $/Wp), que compensa con creces su bajo rendimiento (en torno al 8%). No generan tanta energía como las de silicio, y requieren el doble de superficie que éstas, pero como son tan baratas el balance energético final es igual de favorable o incluso mejor. Si hay espacio disponible, pueden ser una opción tan válida como cualquier otra, siempre y cuando se garantice una durabilidad equivalente.

  7. tomás:

    Muy interesante el artículo y los enterados comentarios, De todas formas habrá que pensar en la tendencia a la verticalidad de las ciudades, lo que limita la posibilidad de la producción de electricidad utilizable sin transporte.

  8. JOrge:

    La verdad sobra espacio para colocar fotoceldas en la superficie terrestre. El problema es simplemente económico: El dia que sea mas barato colocar fotoceldas en el techo que enchufar la casa a la red electrica todos lo haran.

  9. tomás:

    Estimado JOrge: No me voy a entretener en calcular, pero ni siquiera con rendimiento del 100% es posible suministrar la energía mínima necesaria para un edificio de p. ej. 20 pisos, que es a lo que se tiende, llenando el tejado de placas. Por tanto sería necesaria una red eléctrica cuyas fuentes, eso sí, podrían ponerse fuera de la ciudad, en terrenos baldíos y con las mejoras que se esperan, con almacenamiento eléctrico, o con la ayuda de la eólica, de la hidráulica, de la atómica etc. Pero vamos, que de la red y, por tanto, estar en manos de las compañías eléctricas o de distribución, no nos libra nadie.
    A mí me pareció excelente la idea que salió aquí, de esas minicentrales nucleares particulares, capaces en poco espacio y enterradas, de entregar toda la energía necesaria para uno o varios edificios o para una industria. Habrá que ver, como bien dices, el coste. El caso es librarse del oligopolio de esas abusivas compañías.
    Un corsial saludo.

  10. Manuel Baselga:

    Es cierto lo del problema de la verticalidad. Cuantos más pisos, menos superficie de azotea por piso. Yo he calculado que la altura máxima para que la azotea o tejado tenga superficie suficiente para abastecer a todo el edificio con electricidad fotovoltaica es de unos ocho o diez pisos. Sin embargo, en edificos más altos, un aerogenerador instalado en la azotea podría dar el mismo servicio. A mayor altura, más intensos son los vientos, y, como el rendimiento de un sistema eólico es proporcional al CUBO de la velocidad del viento, la azotea de un edificio de 20 pisos parece una buena ubicación. Con 8 viviendas por planta de las mismas características que el ejemplo anterior, tendríamos un consumo anual de unos 500.000 kWh. Considerando un régimen medio de vientos de unas 2000 horas al año, bastaría con instalar en la azotea un solo aerogenerador de unos 300kW (siete veces más pequeño que los que suelen instalarse en los parques eólicos) para abastecer a todo el edificio.

    Lo que no sé es si a la gente le gustaría tener un molino dando vueltas todo el rato en la azotea de casa. Aunque es cuestión de gustos.

    En un gran rascacielos, las cuentas salen incluso mejor, porque los vientos a esa altura son muy fuertes. De hecho, tengo entendido que una de las cuatro torres del complejo de Castellana en Madrid (creo que la que tiene un cuadrado hueco arriba) tenía prevista la instalación de un aerogenerador, pero no sé muy bien por qué no se llevó a la práctica.

  11. Manuel Baselga:

    Yo no creo que se tienda a edificios de 20 pisos, salvo en países con muchísima densidad de población, como Japón o China. En España, la inmensa mayoría de los edificios de viviendas tienen menos de diez alturas, por lo que seríamos un buen candidato para “solarizar” las azoteas.

  12. tomás:

    Estimado Manuel Baselga: Gracias por tomarte la molestia de calcular.
    Un cordial saludo.

  13. Daniel:

    Hace poco me comentaron que es necesario 8 años de uso antes de que una placa fotovoltaica empiece a ser rentable. Es decir, en el proceso de fabricacion de estas placas con silicio puro se emplea la energia que genera dicha placa en 8 años. Es cierto esto?

    Otra cuestion, hace tiempo leí que habia ideado un metodo de generar biodiesel de una calidad muy alta, equiparable al petroleo, a base de unas cepas de algas. Estas algas tenian un alto contenido en aceite, consumian CO2 para multiplicarse, con un “residuo” de oxigeno, celulosa y silicio. La pregunta es por que no se promueve este metodo a gran escala?
    Saludos, Daniel.

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