Nanotecnología

El problema de la energía y la energía solar clásica

En la actualidad, la mayor fuente de energía se deriva de la quema de carburantes que contienen carbón. Este proceso suele ser poco eficiente, no renovable y además conlleva efectos secundarios nocivos para el medio ambiente.

La energía solar supondría una alternativa factible de energía en muchas zonas del mundo si el coste de su producción y los terrenos necesarios para generarla fuesen suficientemente económico y los sistemas de almacenamiento suficientemente eficaces (los costes son hasta 10 veces mayores que la generación de energía tradicional). Y respecto al almacenamiento, la energía se puede almacenar de forma eficiente, entre otras, de las siguientes maneras:

·         durante algunos días en flywheels relativamente grandes construidos de diamante fino con un peso de agua,

·         mediante electrólisis y recombinación del agua (pilas de combustible) que ofrecen una energía escalable, almacenable y transportable. El problema es almacenar y transportar de forma eficiente y segura el hidrógeno a gran escala.

La energía de luz solar directa supone aproximadamente 1kv por metro cuadrado. Si esto se divide por 10, teniendo en cuenta las horas de noche, días nublados y problemas de sistema, la demanda actual del mercado norteamericano (unos 10 kv por persona) requeriría unos 100 metros cuadrados de superficie por persona. Si se multiplica esta cifra por una población de 325 millones de personas, el resultado es la necesidad de cubrir aproximadamente 12.500 millas cuadradas con coletores solares (todo esto teniendo en cuenta que los rendimientos típicos de una célula fotovoltaica (aislada) de silicio policristalino oscilan alrededor del 10% y mediante células de silicio monocristalino, los valores oscilan alrededor del 15%).

Avances en energía solar utilizandola nanotecnología como solución

En el año 2000 se publica por los científicos de Los Alamos National Laboratory, dirigidos por el científico Victor Klimov, los resultados obtenidos en la investigación sobre la multiplicación de portadores en nanocristales de seleniuro de plomo sometidos a pulsos de láser de muy corta duración. Descubrieron que la aportación de un solo fotón podía producir dos e incluso tres electrones. La multiplicación de portadores depende de las fuertes interacciones entre los electrones, apretados dentro del diminuto volumen de una partícula de semiconductor a escala nanométrica, por lo que es el tamaño de la partícula y no su composición, quien determina la eficiencia del efecto.

Este hallazgo se encaminó hacia tecnologías fotovoltaicas, ya que de confirmase que un fotón podría producir dos o tres electrones, se estaría multiplicando por dos o por tres la generación de electricidad en nuevos módulos solares fotovoltaicos.

En 2005, y esta vez investigadores de Berkeley Lab y Lawrence Berkeley National Laboratory, han conseguido fabricar una célula solar hecha con nanocristales inorgánicos.

El diseño está basado en nanocristales de seleniuro de cadmio y teluro de cadmio, y la idea consiste en combinar varias técnicas de disoluciones, que normalmente se emplean en la fabricación de células solares orgánicas, con la robustez de los materiales empleados en sistemas inorgánicos. Estas células solares son tan baratas y fáciles de fabricar como las hechas de polímeros orgánicos, ofreciendo la ventaja de que son más estables en el aire, responden a un ancho de banda mayor y tienen mejor capacidad de transporte de carga eléctrica.

Aunque el prototipo presenta una eficiencia del 3% al convertir luz en electricidad, muy lejos de la tecnología del silicio, los investigadores ya están dando pasos para perfeccionar su prototipo y la eficiencia de la conversión. No obstante, y con la baja eficiencia actual, este sistema sería capaz de generar 710.000 MW, si todo el espacio disponible en las azoteas de EEUU estuviesen cubiertas con esta fina película fotovoltaica. Esta cifra representa las tres cuartas partes de la electricidad que el país genera actualmente. Hay que destacar también como único elemento negativo, que el cadmio es un metal pesado y altamente contaminante.

Con el paso de los años, el crecimiento acelerado de la civilización, y el deseo irrefrenable de sostener el nivel de vida adquirido por los países desarrollados, ha ido aumentando inevitablemente la demanda de energía.

Hasta ahora la mayoría de la energía se obtiene a partir de los combustibles fósiles. No obstante, se trata de un recurso escaso que provoca consecuencias nefastas para el efecto invernadero, por lo que en los últimos años ha ido creciendo la preocupación por encontrar fuentes de energía alternativas.  

Para reducir las emisiones de efecto invernadero, sería necesario introducir nuevas tecnologías más eficientes y menos contaminantes, especialmente a nivel energético, con la sustitución progresiva de los actuales combustibles, carbón, petróleo o gas natural por otros con tasas de emisión más bajas y la potenciación de fuentes de energía renovables.

En esta vía, ha ido aumentando el interés por fuentes de energía alternativas como la energía solar. No obstante, partiendo de las tecnologías actuales, el aprovechamiento de la energía solar resulta más caro que la generación de energía tradicional.

Desde antiguo se conoce que el sol es la fuente de energía para toda la vida de la tierra. Las hojas de las plantas se pueden considerar como diminutas fábricas en las que a través de la luz del sol se transforman el dióxido de carbono y el agua en moléculas vitales como son los hidratos de carbono y el oxígeno a través del proceso de la fotosíntesis.

Por ello, desde los años 70, se ha intentado conseguir células solares mejores basadas en este principio. De esta forma surgen las células solares fotoelectroquímicas (conocidas como células de Grätzel o células DSC –Dye Solar Cell-) basadas en semiconductores nanoestructurados sensitivizados con colorante.

Funcionamiento Básico:

Las células solares son diodos construidos de una manera especial. La lámina de Si-n se coloca arriba y es muy fina, la de Si-p debajo y es más gruesa. La luz incide en la lámina de Si-n. Los fotones incidentes comunican su energía a los electrones que saltan a la banda de conducción, originándose, con ello, también huecos. Debido a la diferencia de potencial en la unión “np” los electrones son repelidos hacia la superficie de arriba de la lámina de Si-n alejándose de la unión; y al contrario, los huecos son arrastrados al Si-p. Como resultado entre las superficies externas de ambas láminas de Si aparece una diferencia de potencial, que suele ser de 0.5 ó 0,6 Voltios.

Si conectamos la célula solar a un circuito externo, tendremos una corriente eléctrica. Para obtener mayores diferencias de potencial se conectan varias células solares en serie. Si lo que queremos es obtener mayores intensidades de corriente, las células solares se conectan en paralelo. Los paneles solares que se utilizan en las instalaciones solares llevan conectadas en serie y en paralelo las células solares necesarias para conseguir los valores deseados (en torno a 12 V y 0,5 A).

Por lo tanto, la energía que tiene el fotón incidente es transferida a los electrones, originándose, una diferencia de potencial que puede aplicarse a un circuito exterior, convirtiendo la energía solar en energía eléctrica. Una célula solar es capaz de convertir hasta un 30% de energía solar en eléctrica (de un día).

¿Cómo aprovechar las células solares?

Hoy en día se ha puesto de moda el término “huerta solar”, (aunque el concepto fue creado y patentado por Acciona), este es un recinto o espacio en el que pequeñas instalaciones fotovoltaicas de diferentes titulares comparten infraestructuras y servicios, con el fin de minimizar costes y tener una mayor producción de energía eléctrica. Cabe mencionar que con una hectárea de huerta solar (incluidos paneles, centros de transformación, inversores, caminos de acceso, vallado…) se puede suministrar la energía que consumen 100 familias.

La huerta solar de Monte Alto de Milagro, en Navarra, es la instalación fotovoltaica de mayor producción en el mundo. Fue promovida por Acciona Solar. Tiene una superficie de 51 hectáreas, una producción de 14 millones de Kilowatios/ hora anuales y una inversión total de 65 millones de euros, distribuida entre 753 propietarios.

En general el proceso que se lleva  acabo dentro de la célula fotovoltaica es que la luz puede ionizar los átomos en el silicio produciéndose un campo interno que separa electrones de huecos dentro del dispositivo. Aunque estas cargas se atraen,  sólo se pueden recombinar pasando a través de un circuito externo por fuera del material debido a la aparición de la barrera producida por el potencial interno.

De modo que si se diseña el circuito se puede producir una corriente partiendo de las celdas iluminadas al tener que pasar los electrones libres por el circuito para recombinarse con los agujeros positivos.

            Efecto fotovoltaico en una célula solar

Mediante la nanotecnología, se pone a prueba cómo un material genera, captura, transporta y almacena electrones libres y para ello existen dos métodos nanotecnológicos  que diseñan los  materiales de constituyen las celulas solares.

El primero de ellos, utiliza películas delgadas de nanopartículas de óxido de metal, es decir, por ejemplo se utilizaría dióxido de titanio dopado con otros elementos, en este caso, se ha utilizado nitrógeno.

La otra posibilidad que existe o método emergente, es el uso de los puntos cuánticos quienes absorben fuertemente la luz visible. Tanto el dopado de los materiales como la sensibilización de los mismos con puntos cuánticos hacen que se incremente la absorción de la luz solar por parte de los materiales de la célula, los óxidos metálicos.

Existe otra tercera posibilidad que no es otra que la de combinar las dos primeras, cuya investigación  ha llevado a cabo el profesor de química Jin Zhang en la Universidad de   California en Santa Cruz, de modo se puede crear una película de óxido de metal dopada con nitrógeno (el dopado con nitrógeno permite absorber energía luminosa en una amplia zona del espectro electromagnético) y a la vez, sensibilizada con puntos cuánticos( los puntos cuánticos incrementan la absorción de luz visible y estimulan la corriente fotoeléctrica y la conversión de energía) demostrándose que poniéndolo a prueba los resultados son todavía mejores que con la aplicación de los dos primeros métodos por separado. Así, parece ser que ambos métodos sumas esfuerzos para capturar los fotones del sol obteniéndose mayor eficacia.

Estos primeros pasos hacen prever que la nanotecnología va  a poder permitir incrementar la eficiencia de la conversión en las células solares basadas en nanomateriales.

La nanotecnología es una palabra que define las ciencias y técnicas que se aplican a un nivel de nanoescala que estudia, diseña, crea, sintetiza y manipula, materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nanoescala, de modo que explota fenómenos y propiedades de la materia a nanoescala.

De modo que manipulando la materia a la escala tan minúscula de átomos y moléculas demuestra fenómenos y propiedades totalmente nuevas  por lo que se utiliza para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y sobre todo poco costosos con propiedades únicas.

Un ejemplo donde se utiliza la nanotecnología para obtener productos más baratos e incluso más eficientes mediante nanoestructuras es el de las células solares.

Para comenzar, hay que tener claro qué es una célula fotovoltaica. Pues bien, es un sistema semiconductor que absorbe luz, que es, la luz solar, y la convierte en energía eléctrica en sistemas fotovoltaicos fabricados con materiales semiconductores, de modo que, la célula solar convierte los fotones del sol en una corriente eléctrica.

El efecto fotovoltaico fue identificado por primera vez en 1839 por Becquerel quien observó  que la tensión que aparecía entre dos electrodos inmersos en electrolito dependía de la intensidad de luz que incidiese sobre ellos. Pero hasta 1954 no se diseñó la primera célula solar moderna, por Chapin, que fue de silicio. Al comienzo de estas investigaciones el principal motivo de su estudio era la de poder aplicarlas como fuente de suministro de energía a satélites espaciales, mientras que hoy en día, se espera que las células fotovoltaicas contribuyan al suministro de energía limpia

Volviendo a la explicación de lo que es una célula fotovoltáica, diremos que se basan en un efecto (fotovoltaico) en el cuál la luz que incide sobre el dispositivo semiconductor produce una diferencia del potencial entre las capas del mismo capaz de conducir una corriente a través de un circuito externo.

Hoy en día, el estilo de vida requiere un suministro permanente de energía. Sin embargo este alto consumo de energía conlleva una alta degradación del medio ambiente. Problemas medioambientales como el efecto invernadero o la degradación de la capa de ozono, junto con la preocupación por las limitaciones que a largo plazo presentan las reservas de combustibles fósiles hacen que cada día adquieran más importancia las llamadas energías renovables.  

Entre las fuentes primarias más importantes de energía limpia, debido sobretodo a su bajo impacto ambiental, se encuentra la llamada energía solar. El fundamento de la misma es el llamado efecto fotovoltaico, mediante el cual la energía de la luz del sol es transformada directamente en energía eléctrica debido a la interacción de fotones y electrones dentro de un material semiconductor.  

Para que se produzca un alto rendimiento interesa que se convierta en electricidad tanta luz de la radiación incidente como sea posible. Esto no es fácil debido a las pérdidas energéticas que se producen en el proceso, por lo que se intenta desarrollar nuevas tecnologías que permitan mejora las prestaciones de las células solares actuales y aumentar su rendimiento. 

Hasta ahora, la conversión de radiación solar en electricidad se ha realizado casi exclusivamente con dispositivos fotovoltaicos de unión de estado sólido, pero la situación podría cambiar con el empleo de la nanotecnología. El empleo de nanomateriales en células solares permite crear células solares más eficientes, de menor tamaño y con reducidos costes de producción.  

Así se han conseguido dispositivos fotovoltaicos plásticos usando polímeros conductores, extremadamente delgados y baratos; mientras que la universidad de Berkeley ha desarrollado nuevas células solares a partir de cristales nanométricos de (CdSe y CdTe) en forma de nanovarillas. 

Sin embargo, las actuales investigaciones, nos llevan a pensar en el desarrollo de células solares tridimensionales, las cuales producen un alto rendimiento con una reducción importante del tamaño. 

Una célula solar 3D  se basa en la deposición de un material semiconductor sobre una nanoestructura tridimensional. Las primeras celdas solares 3D de bajo coste estaban basadas en una heterounión basada en la deposición de CuInSe2 (semiconductor tipo p) sobre TiO2 (semiconductor tipo n). Sin embargo estos no son los únicos materiales que se pueden utilizar.  Un tipo de estas células se fabrica y funciona de la siguiente manera. En ella tenemos una estructura en forma de torres de tamaño 40×40 micras, formada por millones de nanotubos de carbono alineados.

              Célula solar tridimensional 

Esta disposición permite a la célula solar absorber la luz recibida desde muy diferentes posiciones, por lo que no es necesario que la celda reciba la luz directamente. Además una vez que la célula ha absorbido la radiación, ésta queda atrapada dentro de la estructura, pudiendo ser absorbida por diferentes partes de la misma.

Como consecuencia de absorber mayor número de fotones el recubrimiento de la célula puede ser más delgado, de manera que los electrones permanecen menos tiempo dentro del semiconductor, reduciendo la posibilidad de recombinación de los mismos. La recombinación electrón-hueco  es la principal causa del bajo rendimiento de las células solares, por lo que, si reducimos ésta estamos aumentando la eficacia cuántica. Además al reducir la cantidad de material estamos reduciendo el peso.

Son estas características las que hacen que las celdas 3D puedan tener importantes aplicaciones sobretodo en el terreno espacial eliminando la necesidad de sistemas que mantengan una orientación determinada en sistemas como satélites, a la vez que se reduce el peso y la complejidad y se aumenta la fiabilidad y el rendimiento. Sin embargo antes de comercializar este tipo de células solares, es necesario demostrar que son capaces de soportar las cargas de lanzamiento y operación que soportan los vehículos espaciales, así como garantizar un tiempo mínimo de vida en las duras condiciones de vacío y ciclos térmicos que han de soportar.

La investigación en dispositivos electrónicos basados en semiconductores orgánicos ha experimentado un gran desarrollo en los últimos años. Ello se debe en parte a la gran cantidad de semiconductores orgánicos existentes, a la facilidad con que pueden ser depositados sobre grandes superficies mediante técnicas relativamente simples, como spin-coating o evaporación térmica, y también, al hecho de que cada vez es más fácil procesar materiales orgánicos a la carta, con propiedades previamente predefinidas. 

Dentro de los dispositivos orgánicos podemos destacar los diodos emisores de luz, OLEDs – organic ligh emisión diode-, transistores de efecto de campo (OTFTs) y células solares fotovoltaicas.  

Debido a las características de los OLEDs estos pueden utilizarse como excelentes emisores de luz. Se diseñan para emitir luz de manera difusa en una gran variedad de colores. Al emitir de forma superficial, se pueden crear laminas con dimensiones mayores de decímetros cuadrados para simular la luz natural. 

La fabricación de transistores orgánicos de efecto de campo (OTFTs) ha despertado también un enorme interés en la comunidad científica. Por un lado, los OTFTs poseen interés tecnológico como dispositivos que se utilizan en las pantallas planas. Además, la fabricación de OTFTs constituye una potente herramienta para el estudio de las propiedades eléctricas del semiconductor orgánico. Los OTFTs permiten obtener la movilidad de efecto de campo de los portadores mayoritarios del semiconductor. Asimismo, las medidas en temperatura para diferentes tensiones de puerta permiten obtener información sobre la distribución de defectos presentes en el material.

En el caso particular de las células solares de capa delgada, una de las tecnologías que ha cosechado más éxito es la basada en estructuras bicapa con grosores de pocas decenas de nanómetros. Estas estructuras bicapa consisten en general en el depósito mediante evaporación térmica de capas delgadas de semiconductores orgánicos de pequeña molécula. Entre las estructuras que han proporcionado mejores resultados se pueden citar las basadas en fitalocianina de cobre y fullerenos.

En la actualidad las principales fuentes de recursos energéticos se basan en la quema de carburantes que contienen carbón. Esto no sólo conlleva efectos nocivos para el medio ambiente, sino que además constituye una fuente de energía no renovable.

Y la pregunta entonces sería… ¿cuál es una de las fuentes inagotables de energía que la naturaleza nos brinda? La respuesta es obvia: el sol.

El dispositivo capaz de convertir la energía solar en energía eléctrica recibe el nombre de CÉLULA SOLAR. La primera célula solar fue patentada por Russell Ohl en 1946, y obviamente su desarrollo y avances en este campo han sido constantes.

El material más comúnmente utilizado para la fabricación de las células solares es el silicio, el material sólido más abundante en la Tierra. Sus propiedades como semiconductor son óptimas para la fabricación de estos dispositivos. Sin embargo, su costo es muy elevado.

Por otro lado, y con la idea de intentar mejorar la eficiencia de las células (cantidad de energía del sol que son capaces de convertir a energía eléctrica), surgió la segunda generación de estos dispositivos, basado en heterouniones, es decir, células solares de diversos materiales que se colocan superpuestas unas encima de otras consiguiendo así que el porcentaje de energía solar transformada en energía eléctrica aumentase considerablemente.

Una de las primeras aplicaciones de la nanotecnología a las células solares fue la construcción de películas delgadas con Si nanocristalino. Sin embargo, sus costos de fabricación son muy elevados, no olvidando además la creciente caída de la disponibilidad del Si en el mercado.

Lo realmente fascinante llega con la aplicación de la nanotecnología a estos dispositivos mediante el uso de otros materiales que impliquen reducir los costos de la producción y aumentar eventualmente la eficiencia actual de las fotocélulas. Si contemplamos el horizonte de investigaciones que se han llevado a cabo desde el principio de la década de los noventa, nos encontramos con la fabricación de células solares orgánicas. Las ventajas de estos nuevos dispositivos frente a los fabricados con silicio son no solamente la reducción del coste por debajo de la mitad, sino la facilidad del proceso de fabricación. Cada célula solar nanoestructurada es impresa en un plástico base de forma que se crean “rollos de plástico” con una alta eficiencia en la recolección de luz, ya que cada célula actúa como una colector solar autónomo.

Estas nuevas células pesan menos, y son más flexibles, lo que permitiría que se pudieran introducir dentro de teléfonos móviles y portátiles, por ejemplo, o adaptarse con mucha mayor facilidad a las estructuras arquitectónicas, pudiendo incluso aplicarlas en forma de pintura sobre los muros.

En este aspecto, encontramos en la Web recientes estudios que prometen sacar a la venta sprays que “convertirían simples planchas de acero en paneles solares fotovoltaicos”. Esta nueva tecnología se basa en los llamados dispositivos DSSC (Dye-Sensitised Semi-conductor Cells) , también conocidos como células solares sensibilizadas. En general, están constituidas por óxido de titanio nanocristalino, recubierto con una monocapa de un compuesto orgánico que actúa como sensibilizador, debido a que el óxido de titanio es transparente a la luz visible. Esta monocapa, a diferencia del óxido de titanio, es capaz de absorber un rango amplio del espectro solar.
Su eficacia es muy elevada, aunque no alcanza la conseguida con las células basadas en silicio, pero su menor coste de producción hace ver en estos nuevos dispositivos un futuro muy prometedor.

A pesar de que las versiones que más prometen dentro de nuevo campo de las células solares son las que utilizan materiales híbridos orgánicos-inorgánicos (células solares fabricadas mediante nanocristales inorgánicos embebidos en una matriz plástica), comentadas ya anteriormente, también nos encontramos con investigaciones más recientes han llegado a fabricar células solares únicamente mediante una aglomeración de nanocristales inorgánicos (seleniuro de cadmio y telurio de cadmio), sin matriz orgánica. Este tipo de estructuras son más inestables en el aire, pero su durabilidad en el tiempo sería mucho mayor.

La última noticia en cuanto a avances en este campo, nos lleva al descubrimiento de un nuevo material, conocido como nanoflakes que en realidad es una estructura cristalina perfecta con el potencial de convertir hasta un 30% de la energía solar en electricidad, lo que duplicaría la eficiencia de los más punteros dispositivos actuales: “Su potencial es inconfundible. Podemos reducir los costes de producción de las células solares porque, gracias al uso de la nanotecnología, utilizamos menos cantidad del caro semiconductor silicio en el proceso”.

Concluyendo, podemos decir que el silicio siempre ha sido, y de momento es, el material más utilizado para la fabricación de células solares, por su alta tasa de conversión de la energía solar en energía eléctrica.  Sin embargo, con la aplicación de la nanotecnología a este campo, los nuevos dispositivos creados presentan tal cantidad de ventajas, que se espera que en muy poco tiempo su principal inconveniente (menor eficacia que el silicio) sea paliado y el salto en su uso sea cuántico. Las energías renovables son el futuro, y la energía solar es una fuente inagotable que debemos aprender a aprovechar para cubrir las necesidades de la humanidad.

     La semana pasada concluyó la Cumbre Internacional sobre Cambio Climático celebrada en Nairobi, que nuevamente ha puesto de manifiesto el creciente esfuerzo que, con mayor o menor intensidad, se está llevando a cabo desde diferentes estamentos sociales y científicos con la intención de paliar los peligrosos efectos que conlleva el progresivo calentamiento global del planeta. La energía solar continúa siendo una de las alternativas más interesantes, en contraposición a las fuentes de energía contaminantes generadas a partir de combustibles fósiles.
 
     Indudablemente el uso de la nanotecnología ha conseguido optimizar la respuesta de los dispositivos empleados en la conversión de la energía solar en energía eléctrica. En los últimos años se han desarrollado células solares más eficientes, de menor tamaño y con reducidos costes de producción, que en un futuro próximo conseguirán sustituir a los actuales dispositivos basados en el silicio. El descubrimiento de las propiedades de conducción eléctrica de los polímeros orgánicos, ha permitido fabricar dispositivos fotovoltaicos orgánicos plásticos, extremadamente delgados y baratos, mediante un sencillo proceso de síntesis a gran escala. Leer más »