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Avances en energía solar fotovoltaica

Área: Tecnología — Lunes, 19 de Diciembre de 2011

Resumen los recientes avances y estudios sobre la energía solar fotovoltaica, tanto la presente como la futura.

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Los avances en energía solar se suceden sin parar. Es una pena que éstos no se hubieran producido antes o se hubiera invertido más en este tipo de investigación hace unos años. Si así fuera ya tendríamos energía solar barata comercializada. Se tarda mucho tiempo desde que se tiene una idea, ésta se pone a prueba y luego finalmente (si funciona) se comercializa.
También es una pena que sea un tema tan politizado y sujeto a todo tipo de oscuros intereses. Hacen falta análisis fríos y cuentas claras que nos permitan tomar decisiones acertadas, incluso a nivel personal. Parece, de todos modos, que ya se acerca el día en el que cada individuo podrá autoabastecerse de energía eléctrica a un precio reducido e independizase de las compañías eléctricas. Vamos a ver a continuación unos cuantos avances y resultados sobre este campo que se han hecho públicos durante la última semana.

Xiaoyang Zhu de University of Texas en Austin y sus colaboradores han conseguido demostrar que es posible incrementar la eficacia de las células convencionales significativamente [1], [2]. Ha demostrado que se puede doblar el número de electrones recolectados cuando incide un fotón sobre semiconductores. Normalmente parte de los electrones producidos durante del fenómeno fotovoltaico se pierden y sólo producen calor en lugar de electricidad útil. Esto es aún más crítico en los plásticos fotovoltaicos, que tienen un rendimiento bajo. Pero, por otro lado, la producción de este tipo de fotocélulas es baratísima, así que si se consiguiera aumentar su eficacia y vida útil se tendría solucionado el problema de la energía solar.
En silicio el máximo rendimiento que se ha conseguido hasta el momento es de un 31% en laboratorio, si se consiguiera recuperar esos “electrones calientes” que normalmente se pierden en forma de calor se podrían alcanzar rendimientos del 66%.
Zhu ya demostró que esos electrones se podrían capturar usando nanocristales, ahora ha encontrado un método alternativo. Al parecer hay estados cuánticos “sombra”, denominados multi-excitones, para los que los electrones pueden ser capturados con eficacia en cierto tipo de semiconductores. En los experimentos realizados el multiexcitón se comportó como una eficiente fuente de dos electrones gracias al uso de fulereno.
Básicamente los fotones de altas frecuencias tienen mayor energía, pero no pueden depositar bien su energía en forma de electrones porque la zanja de energía del semiconductor tiene una energía específica y no puede convertir más energía que la propia de la zanja. En células multicapas se usan semiconductores de distintos tipos para absorber prioritariamente una banda de frecuencias específica y así aprovechar la mayor parte del espectro solar, pero son complejas. Este método permite absorber fotones de alta energía y convertirlos eficientemente en electricidad gracias a un proceso a dos electrones en lugar de sólo a uno.
Según este investigador si se explota este mecanismos se pueden conseguir células con un rendimiento del 44% sin necesitad de concentradores.

Arthur Nozik, del National Renewable Energy Laboratory en Golden (Colorado) y sus colaboradores han informado de la primera célula solar que produce una fotocorriente que tienen una eficiencia externa cuántica mayor del 100% cuando es excitada por fotones de la parte más energética del espectro [3], [4], [5]. Se trata de un resultado multi-multiexcitón similar al anterior.
La fotocorriente, que normalmente se expresa en porcentaje, es el número de electrones que fluyen por segundo en el circuito externo de la fotocélula dividido por el número de fotones de una energía específica que entran en la célula. Este resultado obtenido en este caso, de un 114% de fotocorriente, indica que consiguen producir más electrones que fotones inciden sobre la célula.
En este caso han usado granos de selenio (puntos cuánticos de 1-20 nm) “decorados” con moléculas orgánicas para así evitar que se aglomeren y pierdan sus propiedades. Han conseguido rendimientos del 5% usando sólo una pequeña parte del espectro que es un rendimiento equivalente al 20% si se extrapola al resto. Pero, de todos modos, consiguen recolectar un 30% más de cargas de lo habitual, siendo ésta la clave del avance. Esto hace esperar futuros avances sobre esta idea que finalmente tengan aplicación práctica.

Si buscamos algo práctico y barato lo ideal quizás sea una arquitectura multicapa de puntos cuánticos convencional, pero en la que se use una pintura hecha de puntos cuánticos que sea barata. Se puede concebir incluso un sistema multicapa pintado con distinto tipo de pintura para así aprovechar al máximo el espectro. Cada capa plástica estaría pensada para una gama de frecuencias en el espectro visible.
Lo malo es que una pintura de este tipo es cinco vences menos eficiente que los sistemas multipelícula más avanzados. Pero se espera aumentar su eficacia en el futuro para así poder comercializar el invento. Mathew P. Genovese de University of Waterloo (Canada) han conseguido desarrollar una pintura de puntos cuánticos que parece prometedora [6].
De momento la eficacia es reducida, pero ésta puede ser incrementada. La pintura es una mezcla de una pasta amarilla y otra marrón hecha con puntos cuánticos de distintos tipos. Cada punto cuántico actúa como un átomo artificial y está pensado para absorber fotones de determinada frecuencia. Entre los compuestos con los que han experimentado están CdS, CdSe y TiO2. Estos nanocristales pueden suspenderse en un líquido para formar así una disolución que actúa como una pintura. Luego sólo hace falta pintar con esta pintura un plástico conductor transparente (ya se sabe cómo conseguirlo) y ya está. Estos investigadores han experimentados con distintas proporciones de estos puntos cuánticos alcanzando una eficiencia máxima de un 5% en sistemas multicapas, que está lejos del nivel comercial, pero que es prometedor.

Si preferimos los avances en células solares de pigmentos podemos fijarnos en los avances realizados por el grupo de Ahmed El-Shafei en North Carolina State University [7].
En este tipo de células se sensibiliza un matriz de dióxido de titanio con un pigmento. Incluso podemos hacer en casa un experimento de este tipo usando como pigmento zumo de bayas (moras, frambuesas o similares). El problema está en la durabilidad, estabilidad y rendimiento de este tipo de dispositivos. Lo difícil es encontrar un pigmento que lo logre.
Este grupo informa que el pigmento que han conseguido consigue un 14% más de densidad de potencia, que no es lo mismo, ni mucho menos, que un 14% de rendimiento. La nota de prensa no menciona el rendimiento real, pero es de esperar que sea muy bajo.
De todos modos, el nuevo pigmento puede absorber más fotones que los habituales y funciona muy bien bajo condiciones de luz difusa, como las que se dan en un día nublado. De hecho, bajo esas condiciones, el rendimiento de los dispositivos basados en este pigmento sobre dióxido de titanio es proporcionalmente mejor que en silicio.

Pero no hace falta que lleguen estas nuevas tecnologías para adoptar la energía solar. Un artículo de de Michigan Tech es revelador [8], [10]. Las células de silicio convencionales de toda la vida están abaratando su coste a un ritmo muy bueno. Su precio ha caído en un 70% desde 2009. El coste ahora está por debajo de 1 dólar por vatio en paneles solares. Es decir, se ha cruzado la frontera de rentabilidad económica y pronto habrá paneles solares a un tercio de dólar por vatio. Al parecer, lo que incrementa el precio es la instalación, sobre todo debido a los pocos encargos que tienen las empresas que se dedican a ello. Pero siempre lo puede instalar uno mismo si así lo desea.

La energía solar ya está aquí y parece que no nos hemos enterado o no queremos enterarnos. Si tiene una casa puede probar a instalar unos paneles ahora o en el próximo futuro. Si su país se lo permite puede incluso vender su producción a la compañía eléctrica y no necesitar instalar baterías ni nada parecido. De este modo, su odiada compañía eléctrica pasará a pagarle en lugar tomar su dinero. Sólo necesita una casa y espacio orientado al sol en su tejado.

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6 Comentarios

  1. tomás:

    Estimado Neo:
    Al final del antepenúltimo párrafo debes querer decir: “… sobre dióxido de titanio es proporcionalmente -¿mayor?- que en silicio.”
    Saludos.

  2. Ahriman:

    Ya hay ganas de generar cada uno la energía que consume tanto por el medioambiente como por dejar de pagar 100€ al mes…

  3. Manuel Baselga:

    Al hilo de este interesante y bien documentado artículo, quisiera aportar algunas reflexiones sobre el futuro de la autogeneración en España.

    A grandes rasgos, desde el punto de vista técnico (sin considerar impuestos y costes administrativos), los principales elementos de coste de un sistema fotovoltaico son cinco:

    1. El semiconductor que constituye la placa fotovoltaica
    2. El coste del armazón y encapsulado
    3. La instalación física (montaje en tejado, cableado, etc.)
    4. La electrónica de los inversores que generan la corriente alterna de 220V a partir de la continua de las placas.
    5. Las baterías de almacenamiento de energía que permiten disponer de energía durante los períodos en que la fuente primaria (sol o viento) no está disponible (en el caso de los sistemas autónomos)

    El abaratamiento de las placas ha sido espectacular en los últimos cinco años. Por ejemplo, el precio del silicio de grado semiconductor se ha desplomado en más de un orden de magnitud en apenas tres años, y ya es posible encontrar en tiendas especializadas en internet placas completas por 1 dólar por Wp, e incluso células sin montar por medio euro el Wp (para dar idea de lo que eso significa, en España 1 kWp instalado puede generar alrededor de 1500 kWh al año, dependiendo de la zona).

    Durante años, el coste de las placas ha representado, con gran diferencia, la parte más importante del coste global, pero hoy ya no es así. Actualmente, los costes de los componentes 1, 2, 3 y 4 se sitúan en un orden de magnitud similar, por lo que las futuras rebajas en el coste global tendrán que producirse en cada uno de esos elementos, y no sólo en el semiconductor.

    Hay bastante margen de mejora en los sistemas de encapsulado y montaje, que podrían estandarizarse y racionalizarse aún más para abaratar su coste, lo que a su vez podría contribuir a reducir los costes de instalación (hasta incluso eliminarlos, si se llegase a que el propio usuario pudiera instalar un sistema por su cuenta sin ayuda, o con una supervisión mínima, por ejemplo una inspección técnica final). En cuanto a la electrónica, creo que el efecto de escala de la generalización de este tipo de instalaciones conllevaría un abaratamiento similar al que hemos observado en la informática. No veo por qué no puede actuar aquí también la Ley de Moore.

    El principal problema siguen siendo las baterías (5), que son todavía el elemento más caro de todo el sistema, y no parece que vayan a abaratarse tan rápidamente como las placas a medio plazo, Por eso creo que, por el momento, la opción más realista va a ser la generación con conexión a red (es decir, sin almacenamiento), por lo menos para usuarios finales (las compañías eléctricas tienen otras opciones técnicas a su disposición).

    Hace unas semanas leí que estaba a punto de aprobarse en España la normativa que regularía la autogeneración para sistemas conectados a red. La idea es que podamos instalar en nuestra casa un sistema fotovoltaico o eólico con el que generar nuestra propia energía cuando haya sol o viento suficiente, volcar a la red eléctrica convencional el excedente cuando nuestro consumo sea inferior a lo generado, o tirar de la red cuando la autogeneración no sea suficiente para cubrir nuestras necesidades instantáneas. La compañía eléctrica instalaría un contador “bidireccional” y nos facturaría la diferencia. El coste de los sistemas se ha reducido tanto últimamente que en muchas regiones (la mayor parte de España, entre ellas) este concepto ya es viable sin necesidad de primas ni subvenciones.

    El que el gobierno se hubiera decidido por fin a regular esta forma de autoabastecimiento de energía me pareció una noticia esperanzadora. Sin embargo, después de oir ayer a Rajoy hablar de su intención de apoyar todas las energías “SIN EXCEPCIÓN*” (recalcando esto último), me dio la sensación de que eso significa en realidad volcarse sin complejos en las más baratas hoy en día (carbón y combustibles fósiles), por lo que me estoy temiendo que esta iniciativa, que podría generar un montón de puestos de trabajo, proteger el medio ambiente, reducir nuestra dependencia exterior y dinamizar un sector en el que España podría estar aún a tiempo de convertirse en líder mundial, acabe resultando otra promesa incumplida y un nuevo tren que nos pasa de largo.

    Espero equivocarme.

    * No tiene nada que ver con el tema (mis disculpas a Neo por la digresión), pero ese latiguillo del “SIN EXCEPCION” me recuerda tristemente a otro lúgubre circunloquio que quienes ya sabemos utilizan al referirse a “TODAS LAS VÍCTIMAS”. Un experto en oratoria seguro que sabría decirme el nombre de esa figura retórica que disfraza ideas perversas con palabras inocentes.

  4. NeoFronteras:

    Estimado Manuel Baselga:
    Ya se habla de costes de un tercio de dólar por vatio en silicio de toda la vida. En una par de años esta opción será muy rentable.
    Otra cosa, eso de 12V a 230V y luego cada aparatito otra vez a bajo voltaje es absurdo. Habría que crear una normativa de voltios 12V continua con conector estandarizado para los electrodomésticos, salvo los de mayor potencia, claro.
    Se supone que la conexión bidireccional ya existía, pero no me extrañaría que al final la hubieran prohibido. En EEUU existe desde hace muchos años.

    En cuanto a la política… Bueno, ya no sirve a los ciudadanos, ni al medio ambiente, ni a los países, sirve a oscuros intereses. Las compañías eléctricas han invertido en España en ciclo combinado y similares, así que esperan rentabilizarlo. Sólo tienen que prometer un puesto en el consejo de administración o un puesto de asesor al político de turno para cuando termine su par de legislaturas y ya está. Del partido a un sueldo vitalicio como consejero inexistente sin haber trabajado nunca jamás.
    Se admiten apuestas sobre dónde recalará el exministro Sebastián.

  5. Manuel Baselga:

    Neo, tienes razón con lo de la doble conversión de CA a CC. Es un disparate energético, sobre todo ahora que casi todos los dispositivos que usamos en casa (salvo quizás los grandes electrodomésticos) funcionan internamente a 5 o a 12 voltios. Lo lógico sería que se alimentaran directamente desde continua si la generación es continua. Y técnicamente sería posible transmitir la CC a través de los cables existentes, superpuesta a la corriente alterna. Bastaría con un enchufe normalizado con la electrónica de separación necesaria.

    Lo de la conexión bidireccional (el “net-metering”) no está implantado en España por motivos puramente regulatorios (léase presión de los grandes lobbies eléctricos, que se han inventado eso del déficit tarifario para meternos un gol multimillonario, y que no tienen ninguna gana de que los particulares se les escapen de su corral de negocio cautivo generando su propia energía).

    Sebastián estará frotándose las manos con la bicoca que le espera. Yo apostaría por alguna eléctrica.

  6. obten tu propia energia solar:

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