La aplicación de nuevos materiales a la producción de energía, para mejorar en eficiencia y sostenibilidad medioambiental es uno de los grandes desafíos industriales. Especialmente en el desarrollo fotovoltaico. Para las células solares convencionales existe un límite físico en el rendimiento que pueden aportar. Es decir, en el porcentaje de la cantidad de luz que reciben que pueden convertir en energía. Para una placa normal de silicio, rondar el 17% o 18% está bastante bien.
Ese límite físico, llamado de Shockley-Queisser [Shockley inventó el transistor], prácticamente ha sido alcanzado ya en las células más eficientes. Se pueden comprar placas solares que rinden hasta un 25%. Invertir en investigación y desarrollos con intención de mejorar las posibilidades de esta tecnología es muy costoso, para conseguir apenas una mínima diferencia favorable.
La clave es cómo reaccionan ante la luz los materiales de los que están construidas las placas. El Sol no envía a la Tierra luz de un solo color, sino un amplio espectro, con extremos invisibles, desde el ultravioleta hasta el infrarrojo. El silicio absorbe luz de onda larga, fotones que poseen una energía en torno a 1.1 electrón-voltio, pero a la vez es como un cristal transparente para los que transportan menos energía. Lo atraviesan y se pierden. Y tampoco consiguen las placas de silicio captar la energía de los fotones que llevan mayor carga, que sin atravesarlas se transforman en calor.
«La suma de ambas pérdidas son dos tercios del total de la energía lumínica» señala el veterano profesor Josef Michl, químico experto en la materia que sigue trabajando en la ‘fisión singlete’, en busca de rendimientos de hasta el 50% de la energía solar recibida. El proceso de la ‘fisión singlete’, típicamente orgánico, se basa en utilizar material molecular que «absorbe un fotón y entra en un estado de excitación directa. El estado de excitación tiene las mismas propiedades de spin que el estado fundamental [el de más baja energía]. A eso se le llama singlete, y su excitación se puede transferir de una molécula a otra y ser compartida por varias moléculas».
La estrategia se dirige a absorber los fotones con energías más altas y los de carga media, con dos láminas separadas en la placa, una con un material capaz de generar fisión singlete y otra de silicio normal, para multiplicar la captación.
Michl trabaja en una segunda cuestión, también muy relevante, para la fabricación de sus células solares: necesita encontrar materiales que sean eficientes en la captura y que no se deterioren rápidamente por el efecto de la luz solar, o el contacto con la atmósfera.
La mejora significativa del aprovechamiento de la energía solar pasa en todo caso por disponer de nuevos materiales fotoactivos (que reaccionan a la luz y desencadenan procesos generadores de energía), capaces de superar las limitaciones del silicio y multiplicar las capacidades de las placas.
Investigaciones en los laboratorios de nanotecnología molecular proponen ir un paso más adelante: el reto de convertir toda clase de superficies en paneles solares, mediante esos materiales fotoactivos. El objetivo es modificar a nivel molecular los materiales para que cambien sus propiedades.
Las células solares de tercera generación, basadas en polímeros, son plásticas, orgánicas y flexibles. Lo que permitiría ‘pintar’ células solares y sugiere la idea de una capa que puede convertir una pared, una carretera o una superficie cualquiera, en captadora de luz solar. De esta manera pueden ampliarse enormemente los espacios dedicados a la captación fotovoltaica.
Los avances en nanotecnología orientados a este campo también buscan nuevos materiales para crear paneles solares libres de silicio, con celdas solares orgánicas de baja temperatura.
El papel de España
En España no se fabrican placas solares de manera industrial y masiva. Hay empresas que tratan de abrirse un hueco con iniciativas diferenciadas frente a la feroz competencia china, pero sobre toda la actividad en este campo se dedica a la instalación, ensamblaje de algunos componentes y mantenimiento. Y a la gestión de granjas fotovoltaicas, es decir a la explotación de la tecnología instalada.
Sin embargo, sí se están desarrollando procesos punteros de investigación, que podrían llevar directamente a la nueva generación de captadores de energía solar, más allá de los procesos basados en el módulo de silicio que todavía domina el mercado y seguirá haciéndolo en los años inmediatos. La puesta en escena de nuevos materiales que superen sus características es una gran oportunidad disruptiva para entrar con fuerza en un mercado en el que sólo somos clientes y usuarios.
La batalla se plantea en superar con nuevas tecnologías la eficiencia en las prestaciones de las placas convencionales, que podrán seguir abaratando precios, pero no librarse de las pesadas limitaciones que les impone la física en su rendimiento.
