Perspectivas en la generación fotovoltaica solar

Dos avances recientes en energía solar fotovoltaica permiten vislumbrar una mejor rentabilidad de este tipo de energía

Puede que el petróleo nunca se acabe, pero entretanto, cada día será más caro extraerlo. Nuestra civilización moderna se ha construido en esencia sobre un recurso de energía que en un principio era prácticamente gratis. Esta situación ya no se va a dar más, pues estamos alcanzando el máximo de su producción. De hecho, se cree que ese cenit ya se alcanzó, tal y como predice que la curva de Hubbert. Es un problema que se cierne sobre el horizonte y que tenderemos que solucionar de alguna manera.

Una posible solución a medias es utilizar otras fuentes alternativas de energía, preferiblemente renovables.

El factor que condiciona la rentabilidad en la generación de energía es la energía que se obtiene por cada unidad de energía que se invierte. Se considera que el umbral de rentabilidad está en una relación de 10 a 1. Por debajo de ese umbral la rentabilidad es más bien dudosa. Todo lo demás es absolutamente secundario, y para muchos de esos otros aspectos se puede buscar una solución. Así, por ejemplo, el petróleo producido en los EEUU ya está por debajo de ese umbral. Pero también lo está la energía nuclear, o la energía fotovoltaica, al menos según los datos de hace unos pocos años.

La energía hidráulica y eólica están por encima de ese umbral, aunque los números concretos dependen de muchos factores, como la geografía o climatología locales.

Cantidad de energía producida por unidad invertida, frente al total de energía producida por distintas fuentes de energía en los EEUU. El pétroleo local pasó de 100 a 1 en 1939 a 30 a 1 en 1970 hasta el 10 a 1 actual. La energía nuclear, la fotovoltaica (dato de 2009), las arenas bituminosas y los biocombustibles están casi o por debajo del umbral de rentabilidad. Fuente: Searching for a miracle, Richard Heinberg.

En los últimos tiempos se han efectuado mejoras técnicas en la energía fotovoltaica, que están produciendo su abaratamiento. Pero, mientras tanto, se investiga en los laboratorios para lograr una tecnología fotovoltaica en verdad eficiente. La gente de la calle se queja de que hay muchas noticias al respecto pero que al final no se materializa ninguna de ellas. Desconocen que se tarda mucho en investigar cualquier cosa, y que una vez obtenido no siempre se puede comercializar o se necesita bastante tiempo para hacerlo.

Hay varios frentes en el tema de la energía fotovoltaica. Uno de ellas consiste en abaratar (en términos energéticos o de costo) la tecnología que ya existe. Así, por ejemplo, el precio de las células de silicio se ha reducido mucho en los últimos años y se espera que lo siga haciendo. Si todo tejado no está cubierto por paneles solares es porque que siguen siendo caras son las baterías.

Otro planteo es un nuevo tipo de células cuya producción sea muy barata aunque su rendimiento sea bajo. En esta situación encontramos a las células de polímeros. La idea es rebajar el costo por vatio instalado, aunque se requiera mucha superficie.

La tercera opción es desarrollar nuevos tipos de células solares que tengan un rendimiento muy alto, aunque sean caras, y usarlas junto con concentradores ópticos.

Vamos a ver dos desarrollos recientes respectos a estas dos últimas posibilidades.

Recientemente se ha conseguido batir el record de unas células cristalinas logrando un rendimiento del 28,6%. Es decir, casi un tercio de la energía luminosa es convertida en energía eléctrica. Un estudio de 1961 estableció que el máximo de rendimiento teórico en una célula solar estaría en un 33,5%. Así que, según este punto de vista, estamos ya muy cerca de lo máximo que se podría alcanzar. Aunque este punto es discutido por algunos expertos que sitúan el máximo más arriba.

Eli Yablonovitch y su equipo de la Universidad de Berkeley han conseguido este resultado haciendo que la célula funcione como un LED, siendo tan buena absorbiendo luz como emitiéndola. Lo mejor es que este principio es aplicable a otros tipos de células solares, y no solamente a la de arseniuro de galio multicapa que ellos han utilizado.

Este efecto inesperado se debe a que, fundamentalmente, existe una relación termodinámica entre absorción y emisión. Si se diseña una célula para que emita luz de manera eficiente, esto significa que se produce un buen voltaje si se le hace funcionar a la inversa (recibir fotones y producir electricidad a partir de ellos).

Normalmente, los fotones de luz que inciden en el semiconductor producen electrones los libres que conforman la electricidad. Pero en el proceso se pueden producir otros fotones secundarios (en un proceso denominado luminiscencia) que no liberan electrones. Si se facilita que estos fotones se liberen fácilmente se eleva el rendimiento del dispositivo, al aumentar el voltaje del sistema.

Este equipo de investigadores estima que al año que vienen podrán superar la barrera del 30% de rendimiento.

Por otra parte, existe un resultado que consigue incrementar el rendimiento de las células de polímeros. Además de su supuesto bajo precio, el uso de este tipo de células es más versátil debido a que se pueden doblar para adaptarlas a distintas superficies. En este caso Jongbok Kim y sus colaboradores de las universidades de Princeton y Pennsylvania han aumentado el rendimiento de este tipo de células gracias a la utilización de «arrugas», con lo que han conseguido elevar el rendimiento en un 47% respecto al rendimiento base. Publicaron el resultado en la revista Nature Photonics.

Recordemos que el rendimiento de este tipo de células «de plástico» es muy bajo en general, y que toda célula con un rendimiento por debajo del 10% no tiene sentido comercial. Se está tratando de conseguir un rendimiento entre un 10% y un 15% para este tipo de células. Recientemente un equipo de UCLA ha conseguido un rendimiento de un 10,6% y esta nueva técnica de «uso de arrugas» podría incrementar más aún ese rendimiento, haciendo que ya fueran rentables. El otro problema que tiene esta tecnología es la durabilidad de las células, que es inferior a la de otros tipos.

Tradicionalmente se ha tratado de aumentar el rendimiento de estos dispositivos aumentando la conversión de fotones en electrones libres. Pero este nuevo resultado está basado en la idea de tratar de atrapar el mayor número de fotones posible. A más luz solar absorbida mayor rendimiento, aunque éste sea inherentemente bajo. Esta configuración puede, además, explotar una gama de frecuencias más amplia. La idea está inspirada en las hojas de las plantas, que contienen estructuras que guían la luz del Sol para maximizar la cantidad de luz atrapada.

Al estructurar la célula solar de polímero con una compleja red de ondulaciones con un espaciado entre 1 y 5 micras, duplicando casi el rendimiento de base. Pero esto les sorprendió, pues esperaban un incremento mucho menor. Al parecer esta microestructura cambia el ángulo de incidencia de los fotones, que son absorbidos mejor, y cumple la función de guía de ondas. Además se alcanza un 600% más de absorción en ciertas frecuencias cercanas al infrarrojo, y el rendimiento se mantiene incluso cuando la célula es curvada, algo que no pasa en las células sin arrugas.

Fuente: Neofronteras y otros. Aportado por Eduardo J. Carletti

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