Nanotecnología

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.

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.

Un grupo de investigadores ha desarrollado una nueva técnica de dimensiones nanométricas, para alimentar dispositivos sin necesidad de utilizar voluminosas fuentes de energía, tales como las baterías convencionales.Con un desarrollo adecuado funcionarán convirtiendo la energía mecánica del movimiento del cuerpo, la contracción de los músculos o el flujo del agua, en electricidad. Estos "nanogeneradores" podrían hacer posible una nueva clase de dispositivos médicos implantables, así como sensores y equipos electrónicos portátiles autoalimentados.Los nanogeneradores se basan en las propiedades piezoeléctricas y semiconductoras del óxido de zinc, según las cuales se puede generar corriente eléctrica mediante una deformación.

Los nanogeneradores desarrollados por Wang y por Jinhui Song y mostrados hace poco en Science, utilizan la corriente generada cuando los nanohílos de óxido de zinc son doblados y luego liberados. Construyendo una serie ordenada de un gran número de tales filamentos, Wang cree que puede producir suficiente corriente para alimentar los dispositivos nanométricos: "Hay mucha energía mecánica disponible en nuestro entorno", explica Zhong Lin Wang. "Nuestros nanogeneradores pueden convertir esta energía mecánica en energía eléctrica. Esto tiene el potencial de abrir muchas posibilidades para el futuro de la nanotecnología". Además hace notar el problema que existía hasta ahora "Podemos construir nanodispositivos que sean muy pequeños, pero si el sistema integrado completo debe incluir una fuente de energía grande, eso hace fracasar su propósito".

Además del atractivo uso dentro del cuerpo, (ya que el óxido de zinc es biocompatible), los nanogeneradores también podrían usarse dondequiera que la energía mecánica esté disponible (el desplazamiento hidráulico del agua de mar, el viento, o el movimiento de un pie dentro de un zapato). Los pequeños hilos del nanogenerador no sólo están habilitados para operar sobre bases de cristal, sino también podrían hacerlo encima de polímeros flexibles. No es difícil imaginar entonces que los dispositivos portátiles puedan funcionar sólo con el movimiento del usuario. Además estos nanohílos se pueden doblar hasta 50 grados sin quebrarse. Leer más »