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Energía

Fotosíntesis artificial

Nuevas células solares de bajo costo reproducen el proceso vegetal de transformación de la luz solar

fotossíntese-artificialEduardo CesarInvestigadores brasileños y extranjeros han investigado y desarrollado células solares que mimetizan el funcionamiento del sistema de fotosíntesis de las plantas, con resultados que auguran una nueva generación de materias primas de bajo costo, en comparación con el silicio empleado en la conversión de la luz del sol en electricidad. Las nuevas células solares sensibilizadas con colorantes, también llamadas DSC, sigla de dye-sensitized solar cells, aparecen como una alternativa prometedora para la producción de energía eléctrica en todo el mundo. En Brasil, las investigaciones realizadas en el Laboratorio de Nanotecnología y Energía Solar del Instituto de Química de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) resultaron en una empresa spin-off: Tezca Células Solares, incubada en la Compañía de Desarrollo del Polo de Alta Tecnología de Campinas (Ciatec), que pretende fabricar hasta 2012 celdas solares destinadas recargar baterías de teléfonos celulares, máquinas fotográficas o que puedan acoplarse a notebooks y juguetes.

“La empresa ya tiene una patente de montaje de celdas solares con material totalmente nacional”, dice la profesora Ana Flávia Nogueira, coordinadora de un grupo de 15 investigadores compuesto por posdoctores y alumnos de iniciación científica, maestría y doctorado que desarrolla dispositivos para el aprovechamiento de la energía solar. La investigadora empezó a interesarse en el área en 1996, con su tesina de maestría dirigida por el profesor Marco-Aurélio De Paoli, también del Instituto de Química. Actualmente, las investigaciones que coordina se concentran en dos tecnologías que se valen de mecanismos diferentes para convertir energía solar en electricidad.

Una de éstas se basa en la tecnología dye-cells o células fotoelectroquímicas preparadas con dióxido de titanio (TiO2), una sustancia utilizada en cremas dentales y pinturas blancas de paredes, con propiedades semiconductoras. Pero debido a que el dióxido de titanio no absorbe luz por ser blanco, hay que recurrir a un colorante adecuado para sensibilizarlo y promover la absorción de la energía solar. “El término sensibilizar puede usarse como sinónimo de dar color al óxido de titanio con colorantes naturales o sintéticos que absorban en la franja de luz visible al ojo humano”, explica la investigadora.

Extractos naturales
Los colorantes inorgánicos que poseen un metal parecido al magnesio encontrado en la clorofila -pigmentos vegetales que funcionan como fotorreceptores en la fotosíntesis- son los más eficientes para desempeñar esa tarea. Hasta ahora, los compuestos de rutenio, un elemento químico empleado en catalizadores, se han mostrado imbatibles en ese rol debido a su capacidad de absorción y transferencia de energía, pero otros colorantes también han dado buenos resultados. En la Universidad de São Paulo, el grupo de investigación de la profesora Neyde Yukie Murakami Iha, del Laboratorio de Fotoquímica y Conversión de Energía, quien desde 1985 se dedica al estudio de sistemas de almacenamiento y conversión de energía solar, ha probado colorantes naturales con extractos de mora, guapurú, asaí, pomarrosa y otras frutas y flores que contienen pigmentos antioxidantes llamados antocianinas, con colores característicos como el rojo, el azul y el violeta. “Hicimos una célula solar con colorante natural que está funcionando hace más de un año”, informa Neyde. “La ventaja es que es mucho más factible económicamente y daña mucho menos al medio ambiente.”

energia solar 4Eduardo CesarEn 1995, la investigadora comenzó a desarrollar las células solares sensibilizadas con colorantes del tipo dye-cells. “El gran impulso para estas investigaciones vino con el profesor Michael Grätzel, de la Escuela Politécnica Federal de Lausana, Suiza, que demostró la factibilidad comercial del sistema de nanopartículas de cristales de dióxido de titanio”, dice Neyde. En 1991, Grätzel creó una célula que, en lugar de usar una capa única de dióxido de titanio, era formada por pequeñas partículas de óxido metálico con alrededor de 20 nanómetros de diámetro, cubiertas con una fina capa de pigmento. El método aumentó la superficie efectiva disponible para la absorción de luz solar. Desde entonces el grupo del investigador suizo y otros grupos de investigación han procurado aumentar la eficiencia de conversión energética de estos dispositivos, utilizando nuevos materiales y soluciones innovadoras para el montaje de estas células.

Básicamente, éstas funcionan de manera similar a una batería de celular, con dos electrodos y entre éstos un electrolito, un medio conductor que lleva a cabo el transporte de las cargas eléctricas mediante iones. “El funcionamiento de estas células, que son montadas como un sándwich, constituye un verdadero sistema químico integrado”, dice Ana Flávia. Este sistema está constituido por un colorante con alta absorción de luz, que separa y transfiere la carga eléctrica al dióxido de titanio y es regenerado por el electrolito. Las cargas eléctricas separadas en ese proceso se recombinan luego de pasar por un circuito externo y generan una corriente eléctrica. En la USP, un prototipo de la célula solar de 10 por 10 centímetros demuestra las posibilidades de esta tecnología. Conectado a una fuente de luz, es capaz de mover un pequeño motor que hace girar una hélice.

Recientemente, la empresa G24 Innovations, del Reino Unido, que tiene la licencia de la patente de Grätzel para Europa, puso en venta cargadores de celulares y chaquetas con placas de captación de energía solar fabricados con filmes flexibles sensibilizados con colorantes. La empresa australiana Dyesol está preparándose para lanzar en escala comercial paneles provistos de esta tecnología para su aplicación en fachadas de casas y edificios. “Ya cuenta con la tecnología, que está lista para eso”, dice Neyde, quien en 2007 hizo una visita a la empresa. “No sacó los productos al mercado solamente porque quiere tener la garantía de que el mantenimiento se hará de manera adecuada, para que los paneles efectivamente tengan una vida útil de diez años, como se planeó”. A tal fin, Dyesol está estructurando consorcios con empresas y centros de investigación de varios países. “Una de las grandes ventajas de las dye-cells es la capacidad que tienen de operar en bajas condiciones de luminosidad”, dice Neyde.

El grupo de la USP, que contó con financiamiento de la FAPESP y del CT-Energ, Fondo Sectorial de Energía del Ministerio de Ciencia y Tecnología para la realización de las investigaciones, tiene cinco patentes depositadas con la tecnología. Algunas empresas se interesaron en comenzar a producir las dye-cells, pero las negociaciones siguen en marcha. “Además de convertir la energía solar en electricidad, esta tecnología tiene potencial para producir hidrógeno y metano, que pueden utilizarse como combustibles”, informa Neyde. El laboratorio de la USP se asoció con el profesor Thomas Meyer, de la Universidad del Estado de Carolina del Norte, Estados Unidos, para desarrollar catalizadores y sistemas integrados para la realización de la fotosíntesis artificial produciendo combustibles solares.

La otra tecnología que está investigándose en la Unicamp, la misma empleada en los filmes flexibles de los productos lanzados por la empresa británica, es la de las celdas solares que utilizan materiales semiconductores orgánicos, como polímeros o moléculas, como capa activa en los equipos de energía solar. Para prepararlas se usan dos semiconductores con características diferentes para hacer el transporte electrónico. En este caso, ambos electrodos se ponen directamente en contacto, sin necesidad de un electrolito. “Las células orgánicas nos permiten trabajar con diversos materiales, lo que promueve el desarrollo de módulos flexibles, de colores y transparentes”, dice Ana Flávia. En la Universidad Federal de Paraná, desde 1998, el profesor Ivo Hümmelgen, del Departamento de Física, investiga estos dispositivos elaborados con polímeros, que pueden también asociarse a fulerenos o a nanotubos, estructuras nanométricas hechas de átomos de carbono. “Usamos como capa activa derivados de poliotiofenos, una familia de polímeros que tiene una absorción bastante acentuada en la región visible del espectro solar”, dice Hümmelgen. Los fulerenos y los nanotubos aumentan la eficiencia del proceso, pues se encargan de separar y transportar la carga en el interior del dispositivo.

Conversión energética
“Un problema básico tanto de las dye-cells como de las orgánicas es que la eficiencia es aún más baja que las células solares inorgánicas de silicio utilizadas actualmente”, dice Hümmelgen. Sucede que las condiciones de producción en laboratorio, con procesos sumamente controlados, no siempre son pasibles de repetirse en la producción en gran escala. Mientras que las células comerciales a base de silicio policristalino tienen una eficiencia media del 11%, las dye-cells llegan al 7% ó al 8% en laboratorio. “En algunos laboratorios ya se han obtenido células certificadas con hasta un 11% de eficiencia”, informa Neyde. Los cálculos para la medición de la eficiencia energética abarcan la totalidad de la luz del sol que se convierte en electricidad. “Este cálculo tiene en cuenta todo el espectro solar, que va desde lo visible hasta el infrarrojo cercano”, explica Neyde. “Existen regiones con eficiencia del 80% y otras sin ningún aprovechamiento.”

energia solar 3Eduardo CesarLos cargadores de celulares de la empresa inglesa G24, por ejemplo, permiten 20 minutos de conversación por cada hora de luz solar. Puede parecer poco, pero hay que considerar que ésta es una aplicación portátil, ideal para locales no conectados a la red eléctrica. Pese a su menor eficiencia, la tecnología es prometedora, no solamente para aplicaciones en comunidades aisladas sino también en áreas urbanas. La previsión de costo en escala industrial es alrededor de un 50% menor que el de una célula de silicio. “Como la presencia de pequeñas impurezas en el semiconductor no constituye un problema para el funcionamiento de las dye-cells, no se requieren los procedimientos complicados necesarios para la fabricación de células de silicio, tales como el uso de una sala limpia y ropas especiales”, dice Neyde. El costo proyectado para las células solares orgánicas y dye-cells es de 0,40 dólar por vatio, ante 3 dólares por vatio de las tecnologías a base de silicio.

En Brasil, el potencial de generación de energía fotovoltaica es de 10 mil megavatios (MW), casi una central de Itaipú, pero no es posible aprovecharla totalmente porque es necesario tener espacios disponibles para la instalación de centrales de energía solar. Hasta ahora, tan sólo 12 MW están efectivamente instalados en comunidades aisladas, mientras que otros 80 integran sistemas conectados a la red eléctrica, pero en carácter experimental. Brasil es un gran exportador de cuarzo, materia prima empleada para fabricar el silicio de grado solar, pero no domina la tecnología de producción de este material semiconductor con alto valor agregado. “El proceso de crecimiento de los cristales de silicio es sumamente caro, porque involucra temperaturas altísimas y un proceso litográfico complejo para la obtención de cristales perfectos”, explica Ana Flávia. Otra crítica que hicieron las investigadoras a la utilización del silicio es el costo de la energía gastada para su producción. “Para fines espaciales, por ejemplo, es una tecnología que justifica el precio final”, dice Neyde. Pero su alto costo impide que se emplee en gran escala. “El costo de instalación de un sistema de captación solar a base de silicio para una casa de 200 metros cuadrados es de alrededor de 35 mil dólares”, dice Ana Flávia. Los cálculos estuvieron a cargo de la empresa SunLab, de la localidad de Bragança Paulista, en el interior de São Paulo.

El proyecto
Células solares fotoelectroquímicas regenerativas utilizando vidrios conductores que contienen filamentos protegidos y su asociación modular para el montaje de paneles (nº 00/08434-0); Modalidad Programa de Apoyo a la Propiedad Intelectual (Papi); Coordinador
Neyde Yukie Murakami Iha – USP; Inversión R$ 28.069,35 (FAPESP)

Artículos científicos
NOGUEIRA, A.F., et al. Polymer solar cells using single-wall carbon nanotubes modified with thiophene pedant groups. Journal of Physical Chemistry C. v. 111, n. 49, p. 18.431-18.438, 20 nov. 2007.
PATROCÍNIO, A.O.T., et al. XPS characterization of sensitized n-TiO2 thin films for dye-sensitized solar cell applications. Applied Surface Science. v. 254, p. 1.874-1.879, 15 ene. 2008.

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