Noticio

Vista dentro de la cámara de vacío en un proceso de depósito de materiales para la fabricación de un filtro óptico

celdas solares

Impacto en nuestra sociedad

Fecha: 01 de Mayo de 2019

Edición: Mayo 2019 No. 19

Debido a la reducción de las reservas de hidrocarburos, a su cada vez más difícil y costosa extracción, así como a los grandes efectos contaminantes, la búsqueda de fuentes alternativas de energía que sean renovables, económicas y limpias es de gran importancia mundial. Algunas fuentes alternativas de energía son la eólica (viento), la hidroeléctrica y la solar (térmica y fotovoltaica). El Plan Nacional de Desarrollo (México) contempla seriamente el desarrollo de energías alternativas y particularmente de la fotovoltaica. Las celdas solares (o fotovoltaicas) basadas en materiales inorgánicos, como el silicio, han mostrado un gran desarrollo tecnológico, sin embargo el aún alto costo de producción en lugares muy especializados ha imposibilitado su uso masivo. Por otro parte, el empleo de materiales orgánicos, que contienen átomos de carbono en sus estructuras, así como de híbridos: orgánico-inorgánicos, como las perovskitas; son una alternativa muy considerada por diversos grupos de investigación y empresas. Los retos principales para este tipo de celdas son el incremento de la eficiencia de conversión de energía solar en eléctrica al escalárseles así como tener un mayor tiempo de vida y estabilidad.

· Antecedentes, estado del arte y perspectivas ·

En celdas solares la transformación directa de la luz del sol en electricidad se realiza a través del efecto fotovoltaico (efecto PV por sus siglas en inglés). La industria de celdas solares de silicio se inició en 1953 cuando científicos de los laboratorios Bell desarrollaron con éxito una celda que convertía 5 % de la energía del Sol en 5 mW de potencia eléctrica. Estas celdas han sido optimizadas y actualmente pueden operar con eficiencias de conversión eléctrica mayores al 20 % y con un tiempo de vida de 20 años. La aplicación de esta tecnología la encontramos en muchos instrumentos como en una calculadora, en un reloj, para la alimentación de teléfonos de emergencia en las carreteras, en lámparas decorativas de jardín, etc. No obstante, esta tecnología PV del silicio y otros, requiere condiciones de fabricación muy especializadas que implican un costo alto que hasta ahora ha restringido su uso masivo; además, su nula transparencia, poca flexibilidad y considerable peso, le imposibilitan su uso en, por ejemplo, ventanas, ropa, artículos flexibles personales, etc. Una alternativa a la tecnología inorgánica es el uso de semiconductores orgánicos e híbridos, los orgánicos fueron inventados en la década de los 70’s y desde hace sólo unos 12 años se han estado estudiando profundamente las perovskitas basadas en materiales orgánico-inorgánicos. Ejemplo de celdas solares orgánicas son las celdas OPV (Organic Photovoltaics) mientras que las perovskitas están siendo intensamente estudiadas en celdas solares de perovskitas (PSC) (Perovskite Solar Cells).

Las celdas OPVs presentan actualmente una eficiencia de alrededor de 17.3 % (a nivel laboratorio y de multi-unión), mientras que las PSCs han logrado una impactante eficiencia de más de 23 % en muy poco tiempo. Con estas emergentes tecnologías se tendrán nichos de aplicaciones alternativos a la tecnología inorgánica convencional. Hoy el tiempo de vida de las celdas solares orgánicas e híbridas es de semanas a meses, aproximándose cada vez más a años. También es muy recomendable el tener acumuladores eléctricos para el almacenaje de esta energía eléctrica foto-generada, ya que, aun cuando se llegara a tener una alta eficiencia, usualmente no será posible alimentar directamente a algún dispositivo con la sola conversión solar. Por ejemplo, las pequeñas lamparillas de decoración en jardines no se encienden directamente con la conversión fotovoltaica sino que durante el día esta energía eléctrica está siendo almacenada en una pequeña batería recargable. Bastaría tener una celda solar orgánica con una relativa baja eficiencia de conversión, por ejemplo, 5 %, y un buen sistema de almacenaje para que esta energía eléctrica PV pudiera ser de utilidad para ciertos usos. Las celdas OPVs y PSCs van a poder ser ligeras, semi-transparentes y semi-flexibles, lo anterior posibilitará que puedan usarse en ropa y mochilas, carpas para fiestas, en ventanas de edificios, etc.; ver Figura. Todo lo anterior para alimentar eléctricamente pequeños dispositivos como smartphones, pequeñas lámparas de iluminación (leds), pequeños motores eléctricos, etc. En el CIO, a través del Grupo de Propiedades Ópticas de laMateria (GPOM) y diversos colaboradores, se han desarrollado celdas OPVs cuya eficiencia de conversión energética es de más de 9 %; la eficiencia de PSCs ha sido de más del 12 %. Con mini-paneles de OPVs, ya se han alimentado pequeños LEDs y smartphones. El GPOM-CIO agradece el soporte económico de varios proyectos CONACyT-SENER.

Fig. a) Película transparente de material orgánico para su uso en celdas OPVs.

Fig. c) mini-panel de OPV para alimentación de smartphones (GPOM-CIO).

Fig. b) Mini-módulo de OPV de 80 cm2 (GPOM-CIO).

Referencia
1.Polman et al., “Photovoltaic materials: Present efficiencies and future challenges”
http://dx.doi.org/10.1126/science.aad4424