Por: Oracio Barbosa / Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) / barbosag@cio.mx
De acuerdo a la Agencia Internacional de Energía se espera que para el año 2050 los dispositivos fotovoltaicos, transforman la luz solar en electricidad, proporcionarán alrededor del 11 % de la producción global de electricidad. Con ello se evitará anualmente la emisión de 2.3 Giga toneladas (2 300 millones de toneladas) de CO2 (dióxido de carbono), que están provocando incremento de la temperatura terrestre y dramáticos cambios climáticos.
La perspectiva de la Agencia marca con claridad la importancia de desarrollar este tipo de dispositivos para generar energía eléctrica mediante la luz solar. A nivel internacional, sobre todo en países desarrollados, existe un creciente interés científico y tecnológico por lograr mejores eficiencias de conversión energética con nuevos materiales y con novedosas arquitecturas que nos puedan ser útiles en nuestra vida diaria y que sobre todo, sustituyan a las fuentes no-renovables de energía, como lo son los combustibles fósiles (petróleo, gas, carbón, etc.). Las celdas fotovoltaicas ofrecen una solución práctica y sustentable al incremento de consumo de energía a nivel mundial.
¿Cuáles son estos dispositivos fotovoltaicos? Iniciemos con las celdas solares de silicio, las cuales corresponden a la primera generación de celdas fotovoltaicas. El desarrollo de esta tecnología surge de forma conjunta con la carrera científico-tecnológica de las naves espaciales y satélites. Es muy claro que ambos requieren de energía eléctrica para su funcionamiento en el espacio. La única fuente disponible en el espacio es la del sol y mediante celdas fotovoltaicas de silicio cristalino se pudo generar energía eléctrica. Las primeras celdas tenían una eficiencia de conversión, de luz solar a energía eléctrica, de alrededor del 5 %; esto ocurrió en los años 50. Actualmente el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (de los EUA) señala eficiencias de conversión máximas de alrededor de 25 % (esta eficiencia en la superficie terrestre y no en el espacio), y los paneles solares (conformados por varias celdas de silicio) proporcionan eficiencias de alrededor del 14 %.
Una segunda generación de celdas fotovoltaicas surge en la década de los años 70 mediante el desarrollo de películas delgadas utilizando diversos materiales semiconductores como Cu(In,Ga)Se2 conocido con la abreviación de CIGS en el mercado o bien como CdTe por citar las más conocidas; la máxima eficiencia es alrededor del 20 %. Sin embargo, dentro de estas celdas de segunda generación existen las que se fabrican con varias capas de materiales inorgánicos, pero su fabricación es muy costosa y su uso se observa mayormente en satélites y naves espaciales; su eficiencia llega a ser del 44 %.
Para la primera década de los años 2000 aparece el desarrollo de la tercera generación de celdas fotovoltaicas, las cuales ofrecen conveniencias que no se observan en las generaciones anteriores como el de ser flexibles, de fácil fabricación, semi-transparentes y, sobre todo, de muy bajo costo. Estas celdas se fabrican utilizando materiales orgánicos (aquellos cuya estructura química se basa en átomos de carbono) que definen una capa activa en donde ocurre la conversión de luz en energía eléctrica, entregada a los electrodos correspondientes (uno positivo y otro negativo). Las máximas eficiencia para estas celdas es del 12 % a nivel laboratorio, sin embargo aún no están disponibles comercialmente. Las celdas de esta generación son extremadamente delgadas y ligeras (el orden del grueso de estas celdas es de 0.5 mm y su masa del orden de gramos; siempre y cuando se utilice un substrato plástico) por lo que fácilmente pudieran ser transportadas a diferentes sitios alejados de la red eléctrica; pueden ser colocadas en una mochila o la misma ropa para que mientras se transporte uno de un lugar a otro, nuestro celular o tableta se vaya recargando.
Con las características de las celdas de tercera generación aparecen las celdas perovskitas, que son una combinación de materiales inorgánicos y orgánicos. Dependiendo del modo de fabricar la celda se reportan dos eficiencias, una a 22 % y otra a 13 %, aproximadamente. Con las primeras, se emplean temperaturas de fabricación de unos 450 °C y con las segundas de tan solo unos 100 °C. Este tipo de celdas se identifican de cuarta generación y son celdas híbridas en donde el material activo, la perovskita, contiene tanto material inorgánico como orgánico. Las altas eficiencia reportadas para estas celdas fotovoltaicas se logró en pocos años: alrededor de 6; y la investigación y desarrollo de esta nueva tecnología es de interés y de importancia en el mundo entero.
En nuestro país el desarrollo de las celdas de tercera y cuarta generación ha sido objeto de estudio por diversos grupos de investigación que buscan ser competitivos, a nivel internacional, en este campo para lograr una alternativa práctica y sustentable al constante incremento de consumo de energía. Muy en particular, en el Grupo de Propiedades Ópticas de la Materia (GPOM) del Centro de Investigaciones en Óptica (CIO), centro público de investigación del CONACyT ubicado en la ciudad de León, Gto., se han logrado eficiencias de 7 % y de más de 9 % en las celdas de tercera y cuarta generación, respectivamente (para perovskitas la eficiencia se obtuvo utilizando temperaturas de fabricación de alrededor de los 100 °C). Las eficiencias reportadas por el grupo para celdas de tercera y de cuarta generación son únicas en el país, siendo muy competitivas a nivel internacional (no todos los grupos de investigación a nivel internacional han logrado estas eficiencias). A la vez el grupo trabaja en incrementar el tiempo de vida y además poder fabricarlas en sustratos plásticos flexibles para el desarrollo de dispositivos comerciales. Un ejemplo de un dispositivo prototipo, panel solar orgánico, fabricado completamente en los laboratorios del CIO se ilustra en la fotografía adjunta con el que se puede realizar la recarga eléctrica de un teléfono celular.
En la fotografía se muestran 18 celdas fotovoltaicas fabricadas sobre seis sustratos de vidrio. Las celdas están conectadas en serie/paralelo para proporcionar la energía requerida para la recargar de un teléfono celular. Cada celda tiene un electrodo semitransparente (ánodo) que se deposita sobre el sustrato de vidrio; las siguientes capas son muy delgadas y su función es la de generar y transportar las cargas eléctricas a los electrodos; el otro electrodo (cátodo) es un compuesto metálico que es una mezcla de tres metales y que se funde alrededor de los 80 °C. Es debido a este compuesto metálico que se pueden fabricar todas las celdas mostradas en la fotografía sin condiciones especiales de control de temperatura y de presión, por lo que se fabrican en condiciones normales de laboratorio sin mayor dificultad.
ACERCA DEL AUTOR
- Oracio C. Barbosa García es Licenciado en Ciencias Físico Matemáticas por la Universidad Michoacana, con maestría y doctorado en Ciencias por el Boston College. Actualmente es Investigador Titular nivel II en el Centro de Investigaciones en Óptica con líneas de investigación en desarrollo, caracterización y estudio de materiales fotónicos inorgánicos y orgánicos, y en el desarrollo de la instrumentación y la aplicación de técnicas espectroscópicas en diversos campos como la bio-fotónica, alimentos, fármacos, arqueología, industria del calzado y pintura. Ha publicado diversos artículos en revistas científicas internacionales.
Correo: barbosag@cio.mx
