Nanotecnología

En 2005 en la Universidad de Pensilvania un grupo de investigadores el grupo dirigido por Craig Grimes, han perfeccionado un sistema para obtener hidrógeno como combustible a partir de luz solar y nanotubos de dióxido de titanio.

El mecanismo es sencillo, basta añadir agua a estos nanotubos y la luz solar al iluminarlos provee de la energía necesaria para que los nanotubos dividan el agua en hidrogeno y oxígeno. Con una formación muy ordenada de nanotubos y luz ultravioleta la eficiencia en la conversión es del 13.1%. Este rendimiento es lo suficientemente bueno como para que el proceso sea rentable económicamente. Lo único que hay que mejorar es la respuesta en frecuencia, pues la luz ultravioleta es sólo una parte del espectro solar, y sería imprescindible hacer que el sistema operase también en luz visible. Una manera muy conocida de conseguir esto es añadir un tinte que hace las veces de “intercambiador de frecuencias”.

Las formaciones ordenadas de nanotubos de dióxido de titanio ya demostraron su eficacia en células solares productoras de electricidad cuando actúan como electrodo negativo junto con un tinte. Este tipo de célula tiene la ventaja de que es muy barata en comparación con las habituales de silicio cristalino.

Según los autores las formaciones de nanotubos de titania proveen de un excelente camino para la percolación de electrones, funcionando como “autopistas de electrones” cuando son iluminados. Los resultados sugieren que las células solares de tinte basadas en nanotubos de titania pueden ser altamente eficaces con solo alargar la longitud de dichos nanotubos usando un tinte altamente eficiente

No sólo se queda aquí la investigación sino que también podemos encontrar nuevos diseños de paneles solares basados en nanotecnología, como por ejemplo

- una matriz de nano-torres constituidas por nanotubos de carbono, son tridimensionales y producen una cantidad 60 veces superior de electricidad que las células solares comunes

- paneles solares de silicio en una disposición esférica, los cuales siguen teniendo sólo un 12% de eficiencia, pero sólo tienen una quinta parte silicio, lo que hace que se reduzcan los costes, además necesitan la mitad de energía que los paneles solares convencionales para fabricarse.

- diseño en forma de nano escamas, que tienen el potencial de convertir hasta el 30 por ciento de la luz solar en electricidad (el doble del rendimiento habitual), se reducen los costos de producción porque se usa poco silicio en el proceso.

En un artículo del Wall Street Journal titulado "Solar Power Heats Up" ya se habla de como las células solares no sólo han llegado a ser más eficiente durante los últimos años, sino que combinadas con unos costes de instalación más bajos y una variedad de exenciones de impuestos, la economía de las células solares ha cambiado de la forma en la que prefieren los consumidores.

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.

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.

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.

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.

     En un reciente artículo publicado en newscientist, se expone el desarrollo de un nuevo sistema óptico que en un futuro podría llegar incluso a devolver la visión a las personas ciegas. En el artículo se explica como la colocación de un implante en el fondo del ojo, permitiría liberar neurotransmisores con los que estimular las células de la retina.
     A diferencia de otras técnicas actuales, basadas en la aplicación de pequeñas descargas eléctricas directamente sobre la retina, esta técnica no genera el calentamiento de las células, ni requiere de baterías externas para su alimentación, puesto que funciona mediante energía solar.

      La retina contiene células fotorreceptoras capaces de liberar sustancias químicas (neurotransmisores) en respuesta a la luz. Estos neurotransmisores pasan a las células nerviosas situadas sobre los fotorreceptores, desde donde mediante una serie de reacciones eléctricas y químicas, las señales son transmitidas al cerebro, donde son descodificadas y convertidas en imágenes. Cualquier daño generado en los fotorreceptores puede provocar enfermedades como la degeneración macular o la retinitis, e incluso ceguera. Leer más »

     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 »