Source: The Conversation – (in Spanish) – By Miquel Solà Puig, Catedrático de Química Física, Universitat de Girona
Aunque la Tierra recibe solo una milmillonésima parte de la colosal producción de energía del Sol, incluso esa pequeña fracción representa 120 000 billones de vatios. Y, para satisfacer la energía que se consume en el planeta, tan solo necesitaríamos recolectar menos del 0,02 %. Como un ejemplo entre la oferta y demanda energética actual, en solo 6 horas, los desiertos de todo el mundo reciben más energía solar que la que consumimos los humanos en un año.
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Además de ser una fuente inagotable, la energía solar presenta al menos otra ventaja clave sobre otras renovables (biomasa, mareomotriz, geotérmica, hidráulica y eólica): la distribución global de la luz solar permite ubicar las instalaciones de producción de energía más cerca del lugar de consumo.
Desventajas del silicio
La energía del Sol se puede captar mediante celdas solares, pero la mayoría de ellas están basadas en silicio, que son costosas y pesadas. Su producción requiere, pues, un gran consumo energético, lo que genera una alta contaminación ambiental.
Por otro lado, aunque las celdas solares de silicio han alcanzado eficiencias de conversión de energía superiores al 26 %, la mejora adicional se limita a eficiencias de alrededor del 30 % debido al llamado límite de Shockley-Queisser Este límite marca la eficiencia teórica máxima de una celda solar de silicio en el 32 %, debido a pérdidas por recombinación radiativa en la celda.
Se calcula que para captar la energía que consume la población mundial necesitaríamos 51 000 millones de celdas solares de silicio, lo que supone
unas 6 o 7 por habitante del planeta. Un número que podríamos reducir si consiguiéramos mejorar su eficiencia. Si además fuéramos capaces de disminuir los costes de producción, sería más viable llegar a instalar el número necesario para satisfacer las necesidades energéticas de la humanidad.
Para abordar estos problemas, se están investigando dos alternativas principales: las celdas solares de perovskita y las celdas solares orgánicas.
Celdas solares de perovskita
En el primer caso, el material que transforma la luz en electricidad es un mineral descubierto por Gustav Rose en 1839 en los montes Urales (Rusia). Los compuestos de perovskita son relativamente fáciles y baratos de producir y tienen una gran capacidad de absorber la luz solar. Con estas celdas se han conseguido eficiencias del 27 % cuando solo las conforman perovskitas y del 30 % combinadas con silicio.
El principal problema que presentan es su escasa estabilidad. Debido a que la perovskita reacciona con oxígeno y agua, este material se degrada en un tiempo inferior a un año. El otro inconveniente es la existencia de defectos en su cristal, los cuales frenan la conducción eléctrica.
En la actualidad, existen numerosos grupos de investigación y empresas buscando soluciones que permitan en un futuro no lejano comercializar celdas solares de perovskita. Una de las propuestas consiste en añadir una capa de fullerenos en la superficie del material para que mejore su estabilidad frente al agua y, como consecuencia, también la conducción eléctrica.
La revolución de las moléculas orgánicas
Por otro lado, se están estudiando las celdas solares orgánicas, otra tecnología prometedora que utiliza moléculas orgánicas π-conjugadas, es decir, moléculas con enlaces simples y múltiples alternados (como, por ejemplo, H₂C=CH-CH=CH-CH=CH₂).
La energía fotovoltaica orgánica ofrece varias ventajas: las celdas solares son ligeras, económicas de fabricar, flexibles, transparentes y su síntesis tiene un bajo impacto ambiental. No obstante, su principal problema es la baja eficiencia que presentan, aunque se han publicado eficiencias de celdas solares fabricadas con materiales orgánicos que llegan al 19 %.
Existen empresas que ya fabrican celdas fotovoltaicas orgánicas y, según la consultora india Versha Vijay de Kings Research, se estima que el mercado de celdas solares orgánicas crecerá de 130,2 millones de dólares en 2023 a 326,6 millones en 2031.
Las celdas solares orgánicas pueden estar compuestas por materiales dadores y aceptores de electrones mezclados o por un solo material que contenga un grupo dador (D) y un grupo aceptor (A) en la misma molécula (D-A). Ambos grupos están enlazados por un enlace covalente.
La absorción de un fotón de la luz solar produce un estado de transferencia de carga D⁺-A⁻ que puede evolucionar para generar un excitón. Este dará lugar a una separación de las cargas positiva y negativa que viajan hacía el ánodo y el cátodo cerrando el circuito, con lo que se consigue generar electricidad a partir de la luz.
Una de las líneas de investigación que se siguen es la que involucra moléculas orgánicas que presentan fisión de singlete. En estas moléculas, por cada fotón absorbido se pueden generar dos excitones que a su vez generan dos pares electrón-agujero.
La principal diferencia respecto a las celdas orgánicas tradicionales es que éstas pueden generar como máximo un electrón por cada fotón, mientras que las celdas orgánicas con materiales que tienen fisión de singlete pueden generar dos electrones por cada fotón, con lo que se puede potencialmente doblar la eficiencia de la celda solar orgánica.
Aunque todavía no se han alcanzado resultados comercializables, se está realizando mucha investigación en esta dirección. Esperamos que en un período de cinco a diez años podamos adquirir las revolucionarias celdas solares orgánicas.
Miquel Solà Puig recibe fondos del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (proyecto PID2023-147424NB-I00) y la Generalitat de Catalunya (proyecto 2021SGR623 e ICREA Academia 2024).
– ref. Más allá del silicio: alternativas para mejorar el rendimiento de las celdas solares – https://theconversation.com/mas-alla-del-silicio-alternativas-para-mejorar-el-rendimiento-de-las-celdas-solares-255180