Opinión


Energía fotovoltaica de tercera generación: impacto social y medioambiental

Energía fotovoltaica de tercera generación: impacto social y medioambiental | La Crónica de Hoy

José Luis Maldonado Rivera*

Debido a la reducción de las reservas mundiales de hidrocarburos, como el petróleo, el gas y carbón natural (fuentes de energía fósiles), a su cada vez más difícil y costosa extracción, así como a los grandes efectos contaminantes (miles de toneladas de dióxido de carbono emitidas a nuestra atmósfera), la búsqueda de fuentes alternativas de energía que sean renovables, económicas y limpias es de gran importancia mundial. Algunas fuentes alternativas de energía son la eólica (viento), la hidroeléctrica y la solar (térmica y fotovoltaica).

El Plan Nacional de Desarrollo (México) contempla el desarrollo de energías alternativas y particularmente de la fotovoltaica: una meta es tener 35 % de energía renovable en México para el año 2024. Las celdas solares (o fotovoltaicas) basadas en materiales inorgánicos, como el silicio (Si) cristalino (celdas de Primera Generación), han mostrado un gran desarrollo tecnológico; sin embargo, el aún alto costo de producción en lugares muy especializados, así como su poca flexibilidad en sus características estructurales, ha imposibilitado su uso masivo.

 Las denominadas celdas de Segunda Generación: las de capas o películas más delgadas como las CIGS (cobre, indio, galio y selenio) tienen ciertas ventajas que las primeras de Si, como mayor flexibilidad estructural, pero menor eficiencia energética. Por otro parte, el empleo de materiales orgánicos (celdas de Tercera Generación), que contienen átomos de carbono en sus estructuras, así como de híbridos: orgánico-inorgánicos, como las perovskitas; son una alternativa muy considerada actualmente por diversos grupos de investigación y empresas. Los retos principales para este tipo de celdas son el incremento de la eficiencia (ya muy competitiva a nivel laboratorio) de conversión de energía solar en eléctrica al escalárseles (fabricado de paneles de área grande) así como tener un mayor tiempo de vida y reproducibilidad en su fabricado.

ESTADO DEL ARTE Y CARACTERÍSTICAS.

En celdas solares la transformación directa de la luz del sol en electricidad se realiza a través del efecto fotovoltaico (efecto PV por sus siglas en inglés).  La industria de celdas solares de silicio se inició en 1953 cuando científicos de los laboratorios Bell desarrollaron con éxito una celda que convertía 5 % de la energía del Sol en 5 mW de potencia eléctrica.

Estas celdas han sido optimizadas y actualmente pueden operar con eficiencias de conversión eléctrica mayores al 25 % y con un tiempo de vida de 25 años. La aplicación de esta tecnología se encuentra ya en múltiples usos: como para la alimentación de teléfonos de emergencia en las carreteras, alimentación de alumbrado público, en lámparas decorativas de jardín; cada vez más en grandes plantas solares para las necesidades energéticas de, por ejemplo, cientos de casas, edificios, etc. No obstante, esta tecnología PV del silicio y otros materiales inorgánicos, requiere condiciones de fabricación muy especializadas que implican aún un alto costo que hasta ahora ha restringido su uso masivo; además, su nula transparencia, poca flexibilidad y considerable peso, le imposibilitan su uso en, por ejemplo, ventanas, ropa, artículos flexibles personales, etc.

Una alternativa a la tecnología inorgánica es el uso de semiconductores orgánicos e híbridos, los orgánicos fueron inventados en la década de los 70 y desde hace sólo unos 12 años se han estado estudiando profundamente las perovskitas basadas en materiales orgánico-inorgánicos. Ejemplo de celdas solares orgánicas son las celdas OPV (Organic Photovoltaics) con eficiencias de conversión récord de 16.5 %, mientras que las ­perovskitas están siendo intensamente estudiadas en celdas solares de perovskitas (PSC) (Perovskite Solar Cells) con un crecimiento acelerado impactante en su eficiencia energética: más de 24 % y, cuando se combinan con Si se han logrado eficiencias de más de 27 %.

Con estas emergentes (aún no están disponibles comercialmente) tecnologías se tendrán nichos de aplicaciones alternativas a la tecnología inorgánica convencional.  Hoy el tiempo de vida de las celdas solares orgánicas e híbridas es de semanas a meses, aproximándose cada vez más a años. También es muy recomendable el tener acumuladores eléctricos para el almacenaje de esta energía eléctrica foto-generada, ya que, aun y cuando se llegara a tener una alta eficiencia, usualmente no será posible alimentar directamente a algún dispositivo con la sola conversión solar.

Por ejemplo, las pequeñas lamparillas de decoración en jardines no se encienden directamente con la conversión fotovoltaica sino que durante el día esta energía eléctrica está siendo almacenada en una pequeña batería recargable. Bastaría tener una celda solar orgánica con una relativa baja eficiencia de conversión, por ejemplo, 5 %, y un buen sistema de almacenaje para que esta energía eléctrica PV pudiera ser de utilidad para ciertos usos.

Las celdas de Tercera Generación ­OPV y PSC van a poder ser ligeras, semitransparentes y semiflexibles, lo anterior posibilitará que puedan usarse en ropa y mochilas, carpas para fiestas, en ventanas de edificios, etc.; ver Figura. Todo lo anterior para alimentar eléctricamente pequeños dispositivos como smartphones, pequeñas lámparas de iluminación (leds), pequeños motores eléctricos, etc. 

En el CIO (www.cio.mx), a través del Grupo de Propiedades Ópticas de la Materia (GPOM: https://www.cio.mx/investigacion/gpom/) y diversos colaboradores, se han desarrollado celdas OPV cuya eficiencia de conversión energética es de más de 9 % (el GPOM-CIO es líder nacional en esta área); la eficiencia de PSC ha sido de cerca del 13 % y se espera que pronto se incremente considerablemente. Con minipaneles de OPV, ya se han alimentado pequeños leds y smartphones. El GPOM-CIO agradece el soporte económico de varios proyectos CONACyT, como los del Laboratorio Nacional de Materiales Grafénicos: LNMG y, CONACyT-SENER como lo fue el multigrupal y multiinstitucional proporcionado a través del consorcio Ce-MieSol: https://www.cemiesol.mx/home/.

Actualmente, en México, varios grupos y colaboradores de distintas instituciones nacionales (que trabajamos en el área de Celdas Solares de Tercera Generación) ya estamos coordinándonos en un nuevo proyecto conjunto y multigrupal relativo a materiales de ­perovskitas y su uso en celdas solares. Algunos de estos grupos ya han logrado eficiencias de conversión superiores a 18 %. Nuestro país (gobierno, academia e industria y sociedad) debería poner mucho más énfasis en esta emergente y prometedora fuente de energía alternativa: celdas de Tercera Generación y particularmente a celdas de perovskitas: investigarlas y producirlas, es decir, no sólo comprar del extranjero paneles fotovoltaicos (principalmente de silicio) para implementar pequeñas y grandes plantas solares con tecnología no nacional.

Sólo para comprender la importancia y majestuosidad de la energía solar: ¡la energía que recibe la Tierra del Sol en sólo 1.5 h, equivale a la que actualmente los humanos consumimos en 1 año! Esto nos indica que debemos de aprovecharla y hacer un uso masivo (lo antes posible) de esta fuente alterna renovable y considerablemente más limpia que la de las fuentes fósiles.

 

*
Centro de Investigaciones en Óptica A.C. (CIO) CONACYT

www.cio.mx

E. mail: jlmr@cio.mx

 

 

 

a) Excesiva contaminación a través de fuentes fósiles de energía. b) Fuentes alternativas de energía: renovables, económicas y limpias. c) Potenciales alternativos usos de paneles basados en OPV o PSC. Para las imágenes a)-c): tomadas de la web. d) minipanel de OPV para alimentación de smartphones: GPOM-CIO.

Comentarios:

Destacado:

COLUMNAS ANTERIORES


LO MÁS LEÍDO

+ -