24/02/2011 - Zanjas de energía

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Muchos grupos de investigadores siguen estudiando sobre la posibilidad de conseguir una energía solar barata. Los logros que pasamos a relatar a continuación representan sólo una pequeña parte del esfuerzo realizado en los últimos meses.

Zanjas de energía

Uno de los inconvenientes de las células solares fotovoltaicas de semiconductores, además de su precio, es el escaso rendimiento que tienen. Casi toda la energía que incide simplemente se pierde en forma de calor. Esto se debe a que la zanja de energía que hay entre la banda de valencia y conducción de un semiconductor es fija. Si se recibe un fotón con menor energía que esa zanja un electrón no puede pasar de una banda a otra, no lo absorbe y esa energía se pierde en forma de calor. Sólo con fotones de energía igual o superior a esa zanja de energía se consigue movilizar cargas y, por tanto, producir electricidad. Recordemos que la energía de un fotón es directamente proporcional a su frecuencia, por lo que fotones de ciertos colores no producen energía en estas células al no ser absorbidos por los electrones.

La solución típica a este problema se consigue con células multicapas en las que se crean un sándwich de varios semiconductores con distintas zanjas de energía, de este modo si un fotón no es captado por una capa lo será por otra, absorbiéndose así fotones de una gran variedad de colores (frecuencias). Con este sistema se llega a rendimientos muy elevados de más del 40%, pero el proceso de fabricación hace que estas células sean carísimas, pues llegan a constar de hasta 18 láminas distintas. La única posibilidad comercial para este tipo de células es usarlas en sistemas con concentradores ópticos que complican todo el sistema.

Wladek Walukiewicz del Lawrence Berkeley National Laboratory está estudiando una nueva aproximación al problema [1]. La idea es no usar multicapas, sino un semiconductor aleado que contenga una banda de energía intermedia situada entre las dos habituales y que permita absorber fotones de varias gamas de frecuencias a la vez. Lo logra usando aleaciones de GaNAs

De momento es materia de investigación y no se ha comercializado, pero quizás sea una solución mucho más barata que las células multicapas en un futuro próximo.

Plasmones

Quizás sea interesante tratar de mejorar la absorción de la luz por parte de las células fotovoltaícas, independientemente del tipo que sean, tal y como lo están haciendo investigadores de la universidad de Stanford [2]. La idea de Mike McGehee, Yi Cui, Mark Brongersma y Michael Graetzel es usar plasmones para producir energía solar de forma barata con células fotovoltaica de lámina delgada.

Gracias al uso de plasmones se puede absorber luz con láminas muy delgadas que usen muy poco material. El uso de plasmones se está investigando mucho en la actualidad por sus aplicaciones en dieléctricos, telecomunicaciones, computación y microelectrónica.

Los plasmones no son más que estados excitados, oscilaciones de plasma, de los electrones de los metales cuando sobre ellos incide la luz. Se puede decir que un plasmón es una cuasipartícula. Todos experimentamos un poco lo que son los plasmones todas las mañanas en el espejo del cuarto de baño. Un espejo no es más que un vidrio con un recubrimiento metálico por detrás. Cuando la luz incide sobre esa lámina los electrones del metal reaccionan oscilando y hacen que los fotones de luz reboten. Cuando la luz ilumina una estructura metálica nanoestructurada estos electrones difunden la luz en muchas direcciones. Y es este efecto el que se podría aplicar a las células solares. La idea es aumentar la complejidad de estas nanoestructuras para manipular el flujo de luz con gran control y que el material fotovoltaico absorba así mucha más luz.

Estos investigadores han estado experimentando con láminas de oxido de titanio y de hierro para crear unos patrones compuestos por pequeñas hendiduras periódicas practicadas en ellas. Una capa de pigmento sensible a la luz rellena esas hendiduras y otra capa de plata completa el sistema. El aspecto final es un patrón hexagonal de nanocúpulas. Esta superficie de nanocúpulas capta la luz de todas las direcciones y la envía al pigmento responsable de producir electricidad. El tamaño, altura y disposición de estas cupulitas están pensados para optimizar la plasmónica del dispositivo.

La luz pasa por la capa de óxido de titanio y parte es transformada en corriente eléctrica, pero los fotones que se escapan son devueltos por la capa de cúpulas de plata (gracias a los plasmones) del otro lado, para que así produzcan electricidad.

Estas células fotovoltaicas no son más que las típicas fabricadas con pigmentos, células muy baratas, pero de vida corta y bajo rendimiento. Pueden adoptar todo tipo de formas, y además los materiales necesarios para su fabricación son baratos, abundantes y no tóxicos. Este nuevo sistema permite aumentar el rendimiento de dichas células.

La mejor de las células de pigmentos tiene un rendimiento del 8%, mientras que las de silicio llegan al 25% (un 40% en sistemas multicapas). Las células de pigmentos pueden durar unos 7 años bajo los elementos atmosféricos, mientras que las comerciales pueden llegar a durar de 20 a 30 años.

Con el nuevo sistema se llega a un rendimiento de células de pigmento del 15% y aumenta un poco su vida útil. Todavía queda tiempo para la comercialización de esta idea, al fin y al cabo la primera célula de pigmento se creó e 1991.

Efecto termoeléctrico

Otra idea puede ser usar el efecto termoeléctrico mediante el cual se transforma un flujo de calor en corriente eléctrica directamente (con permiso de la existencia de un foco frío y la de Termodinámica). Investigadores del Laboratorio Ames han conseguido mejorar el rendimiento de este tipo de dispositivos en un 25% [3][4].

El efecto Seebeck, mediante el cual se transforma calor en electricidad se conoce desde el siglo XIX y ha sido usado en muchos dispositivos. Así por ejemplo, las sondas que se envían al Sistema Solar exterior, en donde no casi no hay luz del sol, están alimentadas por radiosótopos que producen calor y un sistema termoléctrico que lo aprovecha.

El efecto contrario (o efecto Peltier) permite bombear calor cuando se aplica una corriente y en la actualidad se usa para refrigerar microprocesadores.

El problema del efecto Seebeck es que su rendimiento es muy bajo, pero si se lograra aumentar su rendimiento lo suficiente se podría usar en automóviles, minicentrales solares o en cualquier foco de calor o fuente de calor residual.

Los elementos químicos típicos usados hasta ahora en el efecto Seebeck son el telurio, antimonio, germanio y plata (TAGS). La situación cambió cuando los expertos del Ames descubrieron en 2010 que el añadido de cerio o iterbio mejoraba considerablemente la eficacia de estos sistemas. Todavía no saben los mecanismos mediante el cual este dopado mejora la eficiencia, aunque saben que estos elementos deforman la red cristalina y que el magnetismo podría jugar algún papel.

Los elementos de las tierras raras están malditos por tener ese nombre. Pese a que no son escasos en la corteza terrestre el miedo a un posible corte en su suministro ha retrasado la investigación y desarrollo de materiales que los usen.

Fotosíntesis artificial

Una aproximación novedosa sería abandonar los semiconductores y la Física de Estado Sólido, pasarse a compuestos orgánicos e imitar la fotosíntesis de las plantas. Jong Hyun Choi y su equipo de Purdue University ha creado un sistema de fotosíntesis artificial a partir de nanotubos de carbono y ADN [5][6]. Se supone que esta aproximación reduciría el coste de la energía solar en una futura y lejana comercialización.

Las células fotoelectroquímicas convierten la luz del sol en electricidad pero usan un electrolito para transportar los electrones y crear corriente. Estas células contienen cromóforos, que son moléculas orgánicas pigmentarias que absorben la luz del sol y hacen las veces de la clorofila cuando son expuestas a la luz, pero esta misma exposición a la luz las degrada. Éste es el punto débil de esta tecnología.

La nueva idea de este grupo de investigadores soluciona el problema de tener que estar aportando continuamente desde el exterior el pigmento para reemplazar al que se degrada. Básicamente consiste en un proceso de autorreparación que permite a las células producir electricidad continuamente.

En esta tecnología los nanotubos de carbono funcionan como plataforma donde depositar hebras de ADN. Estas secuencias de ADN están diseñadas para reconocer específicamente determinadas moléculas y unirse a ellas. Cuando el ADN reconoce estas moléculas el sistema automáticamente las ensambla entre sí formando el cromóforo. Según los cromóforos son degradados pueden ser lavados con una técnica similar de ADN para así formar nuevos cromóforos, y así sucesivamente.

Como es difícil y caro usar cromóforos de origen biológico, estos investigadores están ya investigando ahora el uso de otros de origen sintético.

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