Nanotecnología

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.