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.

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 »