Paneles fotovoltaicos y nanotecnología

Por Ignacio Blázquez

La energía solar, es una de las llamadas energías verdes o energías limpias, por no ser un recurso finito. Esto ha producido, que desde que se descubrió que el Sol podía ser utilizado como fuente de energía eléctrica, haya habido una incesante investigación en pos de conseguir paneles cada vez con mayores rendimientos y menos costes.

Historia de los paneles fotovoltaicos

Las celdas fotovoltaicas, actúan según el conocido efecto fotoeléctrico, descubierto por Heinrich Hertz en 1887, y explicado teóricamente por Albert Einstein en 1905, lo cual le valió el premio Nobel de física de 1921.

De manera sencilla, podríamos decir que el efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones cuando se hace incidir sobre un material una radiación electromagnética. He aquí el principio de la transformación de la luz en energía eléctrica.

Los materiales semiconductores, se pueden estudiar siguiendo el modelo de bandas, el silicio por ejemplo tiene su banda de valencia completamente llena, pero la poca distancia que hay de su banda de valencia a la de conducción hace que pueda haber electrones que pasen de la primera a la segunda, la cual está vacía y permite el movimiento de estos, es decir la corriente eléctrica.

El principal problema es que para que un electrón pase de una banda a otra tiene que recibir un fotón con la energía adecuada, de manera que todos los fotones de menores energías  a la del GAP del material se desperdician.

Desde la primera célula solar, construida en 1883 por Charles Fritts, con Selenio semiconductor unido a una pequeña lámina de Oro, y que tenía una eficiencia de un 1%, ha habido gran cantidad de avances al respecto.

Fue en 1954 cuando en los Laboratorios Bell se descubrió casualmente que el Silicio dopado con ciertas impurezas era muy sensible a la luz, y de aquí salió la primera celda solar comercial con  una eficiencia del 6%.

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Podría hablarse de tres generaciones de paneles solares. La primera generación consistiría en paneles formados de obleas de Si con uniones p-n, las cuales permiten convertir esos fotones provenientes del Sol en energía eléctrica, esta generación es la más utilizada en la actualidad, por su aceptable relación costo/eficiencia, aunque incluso dentro de éstas, varía la eficiencia de paneles hechos con obleas de Si amorfo, policristalino o monocristalino, aumentando siempre acorde la eficiencia  y el coste de producción. Pese a todo, las celdas de silicio, es complicado que superen el 22% de eficiencia.

La segunda generación de paneles solares, son las más utilizadas en el ámbito espacial, y llegaron con la tecnología de preparación de capas delgadas, a partir de ahí, empezaron las investigaciones con numerosos materiales (Si, CdTe, sulfuros y seleniuros de Indio…). Las películas delgadas de GaAs produjeron eficiencias por encima del 37%.Con esta tecnología de la película delgada se empezó a plantear la idea de paneles muy ligeros o flexibles.

Investigación actual

Por último, llegando ya a la actualidad nos encontramos con los paneles de tercera generación, donde la clásica unión p-n deja paso a la búsqueda de semiconductores con pozos o cuerdas cuánticas o la inserción de nanotubos de carbono dando eficiencias de más de un 45%. Además hay muchas líneas de investigación abiertas, las cuales se centran en seguir aumentando la eficiencia, disminuir los costes y dar una mayor integrabilidad a las células solares.

Un ejemplo de integrabilidad podría verse en el centro tecnológico Ikerlan-IK4, donde han diseñado  un panel fotovoltaico construido a partir de polímeros orgánicos sintéticos, los cuales se pueden depositar sobre superficies tanto rígidas como flexibles, y pudiendo fabricarse de distintos colores, etc. Esto podría sustituir a los típicos paneles pesados opacos y oscuros, sobre todo en el ámbito de la construcción donde se podrán elaborar cortinas o ventanas semitransparentes que dejen pasar la luz que no “vale” para los saltos electrónicos, aprovechando el resto.

Un grupo de investigadores de la universidad de Swansea dirigidos por el Dr. Dave Worsley, investigan como conseguir formas de pintar paneles solares sobre superficies de acero, este material es más eficiente en capturar la luz menos energética (infrarrojos), lo cual es adecuado para climas nublados, donde estas ondas sí penetran, esto es un ejemplo de las investigaciones que se llevan a cabo en nuevas pinturas a base de nanoparticulas, o sprays, que permitan hacer celdas fotovoltaicas.

Podemos destacar también el papel de los semiconductores de banda intermedia, que al tener una banda dentro de la zona prohibida de energía (GAP) permite que fotones que no tenían energía suficiente como para llevar a un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción, la tengan como para llevarlo a esta banda intermedia, y de ahí otro fotón también de poca energía podrá subirlo de ahí a la de conducción. Con materiales de banda intermedia se pueden conseguir eficiencias de hasta un 63%.

Por último también hacer una reseña a las últimas investigaciones sobre el Si negro, descubierto de casualidad por el profesor Eric Mazur y sus estudiantes de la universidad de Harvard, que consiste en obleas de silicio bombardeadas con láseres en pulsos de 100 femtosegundos, y que podría tener una sensibilidad entre 100 y 500 veces mayor que la del silicio convencional, ya que su gran ventaja es que no refleja la luz.

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La principal pega es el alto coste de su fabricación a nivel industrial, sin embargo, en el Laboratorio Nacional de Energía Renovables de Estados Unidos, han conseguido  su obtención,  es un proceso que tarda tres minutos a temperatura ambiente y uno a 40ºC.

El procedimiento consiste en sumergir la oblea de silicio monocristalino en un baño de peróxido de hidrogeno, ácido fluorhídrico y ácido cloroáurico (formado por Hidrógeno, Cloro y Oro) que mediante una serie de reacciones que todavía no están muy claras se generan unas nanopartículas de oro que “taladran” la superficie del silicio, haciendo nanoagujeros a distintas profundidades. Los resultados de eficiencia han resultado ser del mismo orden que las actuales planas de silicio que tienen tratamientos antirreflectantes (la luz que se refleja no se absorve), en los cuales son necesarios altos vacios y tienen unos costes muy elevados.

Estos son algunos ejemplos de las corrientes de investigación actuales, lo que demuestra, que cada vez nos acercamos más rápidamente a alternativas realmente viables a las fuentes mayoritarias actuales de obtención de energia.

FUENTES:
es.wikipedia.org
www.energeticafutura.com/2010/04/el-silicio-negro-hara-que-las-celulas.html
digital.el-esceptico.org/leer.php?autor=23&id=294&tema=3
www.ucm.es/info/otri/cult_cient/infocientifica/descargas/concurso%20divulgacion%2008/la_celula_solar_mas_eficiente.pdf
www.biocarburante.com

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