Año Internacional de la Luz: celdas solares orgánicas, oportunidad para México
Por Ana Luisa Guerrero
León, Guanajuato. 12 de junio de 2015 (Agencia Informativa Conacyt).- Una oportunidad de desarrollo científico y económico se abre para México con el perfeccionamiento de celdas solares orgánicas, una tecnología emergente y alterna de energía renovable, investigación mundial en la que trabajan diversas instituciones del país a fin de generar prototipos eficaces con variadas aplicaciones.
En el marco del Año Internacional de la Luz, este 2015 se impulsan en todo el mundo las tecnologías basadas en sus propiedades con carácter sustentable, y este es un caso más de potencial generación de electricidad limpia.
El doctor José Luis Maldonado Rivera, investigador titular del Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) –que pertenece al Sistema de Centros Públicos de Investigación del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt)-, forma parte del Centro Mexicano de Innovación en Energía Solar (Cemie-Sol), que diseña y elabora celdas solares a base de materiales orgánicos como carbono, nitrógeno e hidrógeno.
El propósito de estas investigaciones es contar con una alternativa tecnológica que reemplace a las actuales celdas de silicio, que son costosas, rígidas, pesadas, no transparentes y que no se fabrican en nuestro país a nivel comercial.
Maldonado Rivera, quien además es integrante del Grupo de Propiedades Ópticas de la Materia (GPOM) del CIO, detalló que el trabajo en fotónica orgánica se realiza con materiales que no están en la naturaleza en general, sino que son diseñados y sintetizados en los laboratorios por grupos de químicos.
En entrevista para la Agencia Informativa Conacyt refirió que en los últimos años han desarrollado prototipos de celdas solares fabricados totalmente en el CIO, con los que han encendido pequeños ledes y motores eléctricos. La eficiencia de conversión energética lograda hasta ahora es de alrededor de siete por ciento, un valor muy bueno no solo a nivel nacional sino internacional para este tipo de celdas, dado que otros grupos de investigación en el mundo han alcanzado el 10 por ciento.
“El equipo del CIO y de colaboradores de otras instituciones nacionales e internacionales es el que más ha avanzado en México en este campo; ya estamos casi compitiendo con los resultados que otros investigadores y grupos en el mundo en cuestión de eficiencia”, detalló.
El doctor en Física por la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) comparó el rendimiento eléctrico de las celdas en términos del voltaje obtenido con las de una pila convencional. La pila proporciona 1.5 voltios (V), en tanto que una celda solar de las que han desarrollado da 0.8 V, y si se colocan en serie cuatro celdas darían 3.2 V.
“Cuando logremos incrementar su estabilidad químico-estructural podrían durar meses o incluso años manteniendo este voltaje, a diferencia de una pila eléctrica actual con menor tiempo de vida”, comentó.
Potencial de desarrollo
El también miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) con el nivel II enfatizó que esta es un área de oportunidad para nuestro país, dado que hasta ahora no se fabrican comercialmente este tipo de celdas orgánicas y México podría manufacturarlas en un futuro próximo sin necesidad de depender del exterior, como sucede con la mayoría de la tecnología que usamos.
“En México se fabrican celdas de silicio pero solo a nivel laboratorio, como en el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav) o el Instituto de Energías Renovables de la UNAM, pero no para comercializarlas. El país ya perdió la carrera en esa área; en cambio en el área de celdas solares plásticas, como no hay en el mercado internacional, se tendrían amplias posibilidades de participar directamente”, añadió.
En ese sentido, reconoció los esfuerzos del gobierno mexicano para fomentar la investigación en esa materia, que se suman al impulso que da la Ley de Transición Energética, en cuyos objetivos destaca que en 2025 el 35 por ciento de la energía consumida en México sea renovable.
Este proyecto se ha financiado con los fondos sectoriales de la Secretaría de Energía (Sener) y el Conacyt, en el ramo de Sustentabilidad Energética. De acuerdo con el doctor Maldonado Rivera, ha dado frutos bastante alentadores como el formar capital humano a nivel licenciatura, maestría y doctorado; se han publicado diversos artículos científicos en revistas internacionales y los resultados se han presentado en congresos reconocidos.
Pros y contras tecnológicos
Para el investigador, quien realizó una estancia pre y posdoctoral en el Centro de Ciencias Ópticas de la Universidad de Arizona, Estados Unidos, toda tecnología tiene pros y contras. En este caso, las celdas orgánicas tienen una eficiencia de conversión energética menor a las de silicio y difícilmente podría igualarse; en tanto que su estabilidad químico-estructural tiene una duración de pocos meses, en comparación con las actuales que poseen una vida de uso de hasta 15 años.
No obstante, enfatizó que la ventaja de las orgánicas es que su rápida y económica fabricación permite producirlas en masa a menores costos, haciéndolas desechables. “Pensemos que así como en algún tiempo tuvimos impresoras de inyección de tinta, en nuestro caso podría ser algo similar porque si ya no sirve el panel podría desecharse y ser sustituido por un repuesto. Además, esta tecnología emergente, a diferencia de la de silicio, pudiera usarse en mochilas, ropa, carpas, incluso en ventanas debido a que las celdas orgánicas pueden ser flexibles, ligeras y transparentes”, añadió.
Maldonado Rivera indicó que siguen perfeccionando sus modelos en cuanto a funcionamiento, eficiencia y estabilidad; para ampliar el área activa de las celdas, hacerlas flexibles y mejorar la parte químico estructural.
Actualmente, mejoran su reacción a las condiciones atmosféricas porque a los materiales orgánicos les afecta el agua y el oxígeno.
“Cuando se fabrican, debe ser en una atmósfera sin agua ni oxígeno. Nosotros tenemos cajas de guantes con atmósfera controlada de nitrógeno, las hacemos ahí pero las tenemos que encapsular. El nivel de agua del aire es de 30 y 60 por ciento, y cuando llueve está al 100 por ciento; y las celdas deben estar aisladas tanto de la humedad como del oxígeno, es una de las líneas de investigación internacionales para evitar la degradación”, abundó.
Aplicaciones
Por sus características de ligereza y transparencia, pueden instalarse paneles solares flexibles en mochilas o la ropa a fin de que alimenten de energía a los dispositivos móviles que cualquier persona trae consigo.
Asimismo, podrían instalarse en ventanales y paredes que, además de dejar pasar la luz, sirvan para crear y almacenar la electricidad que consuma el edificio.
Otra aplicación, detalló el especialista, puede ser su instalación en carpas y lonas, para que puedan iluminar el interior.
¿Cómo funcionan?
Una celda solar trabaja bajo el efecto fotovoltaico, que consiste en absorber luz del sol (el material activo) y generar electricidad. Se elabora con moléculas de bajo peso molecular y en polímeros que tienen en su configuración átomos de carbono e hidrógeno, diseñados y sintetizados a través de la química orgánica.
El doctor Maldonado Rivera explicó que una celda se compone de un material activo “ensandwichado” entre dos electrodos llamados ánodo y cátodo, que se depositan en un sustrato como vidrio, plástico o acetato.
Cuando reciben la luz solar, comienza el proceso de absorción de fotones que generan pares de cargas eléctricas de tipo electrón-hueco, que se conocen como excitones, y que por su naturaleza se pueden desasociar. En esta fase, los electrones se dirigen al cátodo y los huecos al ánodo, produciéndose una diferencia de potencial y una corriente eléctrica.
Historia
El doctor José Luis Maldonado relató que las investigaciones al respecto se iniciaron en la década de los años 70 con los investigadores Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa, quienes descubrieron características de conductividad en estos materiales orgánicos similares a inorgánicos como cobre, oro y plata.
Este descubrimiento fue crucial; se estudió y comenzaron a desarrollarse multitud de aplicaciones tecnológicas. Por este gran hallazgo y sus estudios, dichos investigadores recibieron el Premio Nobel de Química en el año 2000.
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