NeoFronteras

Los avances recientes en energía solar fotovoltaica se enfrentan al abaratamiento de las fotocélulas de silicio convencionales.

Célula de pigmentos de estado sólido. Fuente: Chung et al., Nature, 485.

Además de las células fotovoltaicas cristalinas de silicio o similares y de las células de polímeros hay otras aproximaciones que se están investigando.
Una de las aproximaciones típicas es usar células fotovoltaicas de pigmentos. En ellas se usa un material muy barato como semiconductor, en concreto óxido de titanio. Pero el óxido de titanio es un material extraordinariamente blando, de hecho es el compuesto que se usa en las pinturas blancas por todos lo lados (y mucho menos contaminante que los compuestos de plomo). Pero algo que refleja casi toda la luz que le llega no parece ser un buen sistema de obtener energía. Para conseguir cambiar esto se usa una tinción que es la que absorbe los fotones de luz. Normalmente se usa en forma de disolución (hay recetas caseras en las que se usan pigmentos procedentes de moras y frutos similares) que hace las veces de electrolito. El rendimiento de estos sistemas es casi la mitad de las células de silicio (un 12% frente a un 20%), pero su precio es muy inferior.
Un problema que presentan estas células es que no son de estado sólido debido al uso de la disolución de pigmentos. La disolución puede filtrase, corroer los electrodos, el disolvente evaporarse o que se degrade la disolución. No parece que estas células se las puede hacer durar más de 18 meses. Por eso, desde hace un tiempo, se viene investigando en sistemas de estado sólido basados en pigmentos. Lo malo es que las soluciones secas presentan otro problema: su baja conductividad eléctrica que reduce aún más su rendimiento.
Ahora científicos de Northwestern University parecen haber dado con una solución al bajo rendimiento de las células secas de pigmentos [1][2]. Han conseguido una célula de este tipo que es de estado sólido y que tiene un rendimiento superior al 10%. En los últimos tiempos este grupo ha ido consiguiendo un 1% más de rendimiento cada mes.
La célula se basa en un compuesto de cesio, estaño y yodo (CsSnI₂), un semiconductor de tipo p que reemplaza al típico electrolito. El óxido de titanio (semiconductor de tipo n) está en forma de nanopartículas que están recubiertas de pigmento. En el proceso de fabricación se usa un disolvente orgánico en el que hay CsSnI₂. Luego se deja que el disolvente se evapore y que el compuesto de cesio recubra las partículas de dióxido de titanio sensibilizadas con pigmento.
Naturalmente queda investigación por hacer antes de que se comercialice algo así, pero esta tecnología es prometedora.

Célula de grafeno y hoja artificial. Fuente: American Chemical Society.

Por otro lado se sigue investigando en el uso del grafeno como célula fotovoltaica. Hasta ahora este material sólo permitía un ridículo rendimiento del 2,9% como máximo. Pero ahora un grupo de la Universidad de Florida ha conseguido elevarlo a un 8,6% [3],[4]. La marca se ha logrado gracias al tratamiento del grafeno con un compuesto de fluor denominado TFSA. Este dopado hace que el grafeno aumente su conductividad.
El dopaje permite ajustar el nivel de Fermi del grafeno (el potencial de energía de los electrones), lo que permite reducir la resistencia y aumentar el potencial eléctrico de la célula, lo que a su vez permite una mayor separación entre los electrones y huecos generados por la luz incidente.
A diferencia de otros dopantes, el TFSA es estable y sus efectos se prolongan en el tiempo.
La célula está basada en una unión Schottky entre el grafeno y silicio. Este tipo de uniones generalmente constan de una lámina metálica sobre un semiconductor, pero en 2011 se descubrió que el grafeno, al ser un semimetal, podía cumplir el papel de dicha lámina, siendo además flexible y transparente.
Estos investigadores opinan que si se logra alcanzar un 10% de rendimiento el sistema podría comercializarse. La idea es crear células de este tipo no sobre un soporte rígido como en este prototipo, sino sobre substratos flexibles, tales como polímeros y similares. Además, este tipo de células serían muy baratas.

Pero en este tiempo de investigación febril sobre células fotovoltaicas se han ido abaratando las células convencionales de silicio hasta alcanzar un precio menor a 1 dólar por vatio. La energía solar fotovoltaica empieza ser rentable incluso sin subvenciones.
Esto ha afectado la comercialización de nuevas ideas, como la de hoja artificial. En NeoFronteras ya vimos que un equipo del MIT había conseguido una célula que bajo la luz del sol convertía el agua en hidrógeno y oxígeno directamente sin necesidad de usar electrolisis. El almacenamiento de estos gases permitiría más tarde recuperar energía en forma de calor o electricidad. Además, lograba esto con materiales económicos. Aunque el rendimiento de este sistema es muy bajo su bajo precio le haría rentable.
Sin embargo, parece que la competencia de las células fotovoltaicas estándar ha hecho que la empresa que quería comercializar el sistema haya cambiado de idea [5].
Con este sistema catalítico se puede producir hidrógeno a 6,5 dólares el kilogramo, frente a los 7 dólares que cuesta ahora producir esa misma cantidad de gas con células de silicio comerciales y electrolisis. A partir de combustibles fósiles se puede conseguir un kilogramo de hidrógeno a un precio que está entre uno y dos dólares.
Bajo estos números la empresa (Sun Catalytix) ha decidido colocar la hoja artificial “en el refrigerador” hasta que la rentabilidad sea mayor.
Al parecer, el coste de la producción de hidrógeno fotovoltaico está dominado por el coste ingenieril de la infraestructura: producción masiva de materiales como marcos, substratos, protectores, etc. y no tanto por el coste de la fotocélula.
Sun Catalytix estudia de nuevo cómo desarrollar esta célula para mejorar su rendimiento o reducir los costos antes mencionados. Incluso planean estudiar efectuar grandes cambios sobre la idea, como usar polímeros, usar concentradores luminosos, etc.

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