Avances en solar fotovoltaica

Dos avances recientes en energía solar fotovoltaica permiten vislumbrar una mejor rentabilidad de este tipo de energía.

Célula solar de polímero del equipo de Princeton-Pennsylvania. Fuente: Frank Wojciechowski.

El petróleo nunca se acabará, pero cada día será más caro extraerlo. Nuestra civilización moderna se ha construido básicamente sobre un recurso de energía prácticamente gratis. Esta situación ya no se va a dar más, pues ya hemos alcanzado el cenit de su producción. De hecho, se cree que ese cenit ya se ha alcanzó, tal y como predice que la curva de Hubbert. Es un problema que se cierne sobre el horizonte y que tenderemos que solucionar de alguna manera.
Una posible solución parcial es el uso de fuentes alternativas de energía, preferiblemente renovables (estos términos no significan lo mismo).
El factor que condiciona la rentabilidad de cualquier fuente de energía es la energía obtenida por cada unidad de energía invertida. Se cree que el umbral de rentabilidad está en un 1 a 10. Por debajo de ese umbral la rentabilidad es más bien dudosa. Todo lo demás es absolutamente secundario y para muchos de esos otros aspectos se puede buscar una solución. Así por ejemplo, el petróleo producido en los EEUU ya está por debajo de ese umbral (ver gráfico). Pero también lo está la energía nuclear o la energía fotovoltaica, al menos según datos de hace unos pocos años. La energía hidráulica y eólica están por encima de ese umbral. Los números en concreto dependen de muchos factores, como la geografía o climatología locales.

Cantidad de energía producida por unidad invertida frente al total de energía producida para distintas fuentes de energía en los EEUU. El pétroleo local pasó de 100 a 1 en 1939 a 30 a 1 en 1970 hasta el 10 a 1 actual. La energía nuclear, la fotovoltaica (dato de 2009), las arenas bituminosas y los bicombustibles están casi o por debajo del umbral de rentabilidad. Fuente: Searching for a miracle, Richard Heinberg.

Recientemente se han efectuado mejoras comerciales en la energía fotovoltaica que están provocando un abaratamiento de la misma. Pero, mientras tanto, se investiga en los laboratorios para así poder tener una tecnología fotovoltaica realmente eficiente. La gente de la calle se queja de que hay muchas noticias al respecto, pero que al final no se materializa ninguna de ellas. Desconocen que se tarda mucho en investigar cualquier cosa y que una vez obtenido no siempre se puede comercializar o se necesita bastante tiempo para hacerlo.
Hay varías aproximaciones en el tema de la energía fotovoltaica. Una de ellas consiste en abaratar (en términos energéticos o de costo) la tecnología ya existente. Así por ejemplo, el precio de células de silicio ha caído mucho en los últimos años y se espera que lo siga haciendo. Si todo tejado no está cubierto por paneles solares es porque las baterías siguen siendo caras.
Otra aproximación es crear nuevas células que sean muy baratas de producir, aunque su rendimiento sea bajo. En este ámbito están las células de polímeros. La idea es rebajar el costo por vatio instalado, aunque se necesite mucha superficie.
La tercera aproximación es desarrollar nuevos tipos de células solares que tengan un rendimiento muy alto, aunque sean caras, y usarlas con concentradores ópticos.
Vamos a ver dos desarrollos reciente respecto a estas dos últimas aproximaciones.

Recientemente se ha conseguido batir el record [1] ^[1] de una células cristalinas con un rendimiento del 28,6%. Es decir, casi un tercio de la energía luminosa es convertida en energía eléctrica. Un estudio de 1961 estableció que el máximo de rendimiento teórico de una célula solar está en un 33,5%. Así que, según este punto de vista, estamos ya muy cerca de lo máximo que podríamos alcanzar. Aunque este punto es discutido por algunos expertos que sitúan el máximo más allá.
Eli Yablonovitch y su equipo de la Universidad de Berkeley han conseguido este resultado haciendo que la célula funcione como un LED y que sea tan buena absorbiendo luz como emitiéndola. Lo mejor es que este principio es aplicable a otros tipos de células solares y no solamente a la de arseniuro de galio multicapa que han usado.
Este efecto contraintuitivo se debe a que fundamentalmente hay una relación termodinámica entre absorción y emisión. Si se diseña una célula para que emita luz de manera eficiente esto significa que se produce un buen voltaje si se le hace funcionar a la inversa (recibir fotones y producir electricidad a partir de ellos).
Normalmente los fotones de luz que inciden en el semiconductor producen electrones libres que constituyen la electricidad. Pero en el proceso se pueden producir otros fotones secundarios (en un proceso denominado luminiscencia) que no liberan electrones. Si se facilita que estos fotones se escapen fácilmente se eleva el rendimiento del dispositivo al aumentar el voltaje del sistema.
Este equipo de investigadores estima que al año que vienen podrán superar la barrera del 30% de rendimiento.

En el otro lado está un resultado que consigue incrementar el rendimiento de las células de polímeros. Además de su supuesto bajo precio, el uso de este tipo de células es más versátil debido a que se pueden doblar y adaptar a distintas superficies. En este caso Jongbok Kim y sus colaboradores de las universidades de Princeton y Pennsylvania han aumentado el rendimiento de este tipo de células gracias al uso de “arrugas”, con ello han conseguido elevar el rendimiento en un 47% respecto al rendimiento base [2] ^[2]. Han publicado el resultado en Nature Photonics.
Recordemos que el rendimiento de este tipo de células “de plástico” es muy bajo en general y que toda célula con un rendimiento por debajo del 10% no tiene sentido comercial. Se está tratando de conseguir un rendimiento entre un 10% y un 15% para este tipo de células. Recientemente un equipo de UCLA ha conseguido un rendimiento de un 10,6% y esta nueva técnica de “uso de arrugas” podría incrementar más aún ese rendimiento haciendo que ya fueran rentables. El otro problema que tiene esta tecnología es la durabilidad de las células que es inferior a otros tipos.
Tradicionalmente se ha tratado de aumentar el rendimiento de estos dispositivos aumentando la conversión de fotones en electrones libres. Pero este nuevo resultado se basa en la idea de tratar de atrapar el mayor número de fotones posible. A más luz solar absorbida mayor rendimiento, aunque éste sea inherentemente bajo. Esta configuración puede además explotar una gama de frecuencias más amplia. La idea está inspirada en las hojas de las plantas que contienen estructuras que guían la luz del Sol para así maximizar la cantidad de luz atrapada.
Al estructurar la célula solar de polímero con una compleja red de ondulaciones espaciadas entre 1 y 5 micras casi han doblado el rendimiento base. Algo que les sorprendió, pues esperaban un incremento mucho menor. Al parecer esta microestructura cambia el ángulo de incidencia de los fotones que son absorbidos mejor y hace de guía de ondas. Además se alcanza un 600% más de absorción en ciertas frecuencias del infrarrojo cercano y el rendimiento se mantiene incluso cuando la célula es doblada, algo, esto último, que no pasa en las células “sin arrugas”.

Quizás no esté tan lejos el día en el que todos tengamos una casa digna (y cuyo costo no esté controlado por las mafias económicas) en la que el uso de arquitectura bioclimática y energía solar nos haga independientes de las compañías del gas y electricidad. La ciencia y la tecnología lo permitiría.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=3831 ^[3]