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Electrónica

El desafío del Sol

Una nueva generación de células flexibles puede ayudar a superar las dificultades que traban el aumento del uso de energía fotovoltaica en el mundo

074_CelulasOrganicas_207NOVOEn marzo de este año se inauguró en el desierto de Madinat Zayed, en Emiratos Árabes Unidos, una gran central de generación de energía solar con una capacidad de 100 megavatios, la cantidad suficiente para el suministro de fluido eléctrico de 20 mil domicilios. Este emprendimiento, instalado en una de las regiones más soleadas y cálidas del mundo, es el mayor del género si se considera el empleo de esta fuente de energía, tenida como renovable, abundante y no contaminante. La producción de energía solar o fotovoltaica crece en el globo a un ritmo acelerado, de alrededor del 50% anual; pero su presencia en la matriz energética mundial es aún muy pequeña: alrededor del 1%. En Brasil, representa tan sólo el 0,01% del total. Según la Agencia Internacional de Energía, la generación fotovoltaica de todas las centrales del mundo ascendió a 67 gigavatios (GW) en 2011, el equivalente a cinco usinas hidroeléctricas de Itaipú. Uno de los principales obstáculos para la expansión del uso de esta fuente energética es el alto costo de los paneles solares y los restantes equipos que componen el sistema.

Para superar esta dificultad, universidades, institutos de investigación y empresas de distintos países, Brasil inclusive, trabajan en el desarrollo de una nueva línea de células solares con un costo de producción inferior al de las láminas de silicio empleadas actualmente en los módulos convencionales. Conocidas como células solares de tercera generación –las de silicio fueron las de primera generación y las de películas delgadas inorgánicas, las de segunda–, están constituidas básicamente por dos tipos: orgánicas (OPV, sigla en inglés de organic photovoltaic) o sensibilizadas con colorantes o de tinte sensibilizado (DSSC, acrónimo en inglés de dye-sensitized solar cell). Las células OPV se denominan así porque emplean materiales semiconductores a base de carbono para realizar la conversión de energía luminosa en energía eléctrica. En tanto, las DSSC funcionan mediante una reacción química de oxidación-reducción. También llamadas híbridas, pues se elaboran con materiales orgánicos e inorgánicos, se las construye entre dos vidrios y contienen un electrolito líquido, que normalmente es una solución compuesta por una sal de iodo. Las células activadas con colorantes absorben la radiación solar, con lo cual hacen posible el fenómeno de la separación de cargas (positivas y negativas) para la producción de energía. Ni las células orgánicas ni las híbridas se comercializan en gran escala en el mundo. Se estima que serán necesarios al menos otros tres años para que esto suceda.

Diversas nuevas tecnologías para células solares han sido investigadas en los últimos años con el objetivo de hallar una alternativa más eficiente para las células a base de silicio cristalino. “De una manera general, las células de tercera generación, entre las cuales también se incluyen las fabricadas con puntos cuánticos [minúsculos cristales semiconductores], multiunión y portadores calientes o hot carriers [de carga altamente energética], generan un mejor aprovechamiento de los fotones que inciden sobre ellas”, dice el investigador Fernando Ely, del Grupo de Electrónica Orgánica del Centro de Tecnología de la Información (CTI) Renato Archer, de Campinas. El CTI Renato Archer lleva adelante investigaciones avanzadas para el desarrollo de células solares de tercera generación. Sus investigadores ya han logrado producir varios prototipos de células flexibles de 60 por 40 milímetros de área usando puntos cuánticos, y están trabajando en su perfeccionamiento. “Aparte de afrontar las principales limitaciones que impiden la comercialización de estos dispositivos, nuestro grupo procura generar propiedad intelectual, para, posteriormente, transferir ese conocimiento al sector productivo. Nuestras actividades incluyen también estudios destinados a incrementar la eficiencia de conversión de las nuevas células solares, mediante el empleo de aditivos funcionales, el desarrollo de nuevas técnicas de fabricación por procesamiento continuo –la llamada técnica roll-to-roll– y la producción de electrodos transparentes a base de nanotubos de carbono”. Las actividades en el CTI Renato Archer cuentan con el apoyo de la FAPESP, del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq) y de la Financiadora de Estudios y Proyectos (Finep).

Las empresas Dye-Sol, de Australia, y G24 Innovations, de Gran Bretaña, son líderes en el desarrollo de células sensibilizadas con colorantes (DSSC). En tanto, la compañía Heliatek y el Instituto Fraunhofer para la Investigación Aplicada a Polímeros (IAP), ambos de Alemania, encabezan las investigaciones en el área de OPV. En Brasil, hay dos empresas trabajan en el desarrollo de células de tercera generación. FlexSolar, con sede en la ciudad de Joinville, interior de Santa Catarina, suscribió en 2012 un acuerdo con el IAP para desarrollar células solares orgánicas flexibles. El proyecto, por valor de 4,8 millones de euros –alrededor de 12,5 millones de reales–, prevé que la producción, en un primer momento, se concentre en el país europeo; pero, al cabo de dos años, los dispositivos se fabricarán también en Joinville. De acuerdo con un comunicado dado a conocer en el sitio web del Instituto Fraunhofer, la idea del proyecto conjunto surgió durante la visita de Bernard Schmidt, presidente de FlexSolar, a una feria internacional de electrónica orgánica realizada en Múnich, en junio del año pasado. Cuatro meses después, se firmó el entendimiento entre las partes. La empresa es subsidiaria de Cromotransfer, también de Joinville, que desde hace 15 años desarrolla tecnologías de impresión para el sector textil y el de embalajes. FlexSolar fue creada para transferir ese know-how al área de fotovoltaicos, ya que en la fabricación de células solares orgánicas se emplean métodos de impresión similares a los de la industria gráfica.

La otra compañía nacional, llamada Tezca Células Solares, está instalada en el Polo de Alta Tecnología de Campinas (Ciatec). Creada a finales de 2008, esta start-up ha desarrollado en laboratorio diversos prototipos de células DSSC denominadas TezcaFlex, y espera instalar este  mismo año una planta piloto. “En estos momentos estamos realizando ensayos de durabilidad en nuestras células. Pretendemos atraer nuevos inversores al negocio, con el fin de iniciar la fabricación en escala comercial en 2016”, afirma Agnaldo Gonçalves, uno de los socios fundadores de Tezca.  El objetivo del empresario es construir módulos solares flexibles de baja potencia, con el espesor de una hoja de papel A4, para su uso en aparatos electrónicos móviles, tales como baterías de teléfonos celulares, por ejemplo. Para desarrollar esta tecnología, Tezca cuenta con el apoyo de la FAPESP, que financia un proyecto de Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (Pipe), y del CNPq.

Ventajas y desafíos
La fabricación con bajo consumo de energía y el reducido costo de manufactura constituyen las principales ventajas de las células de tercera generación. Un vocablo muy empleado en el área de energía es el llamado payback económico o energético, es decir: en cuánto tiempo o con qué monto de inversión se paga, o cuánto tiempo es necesario para producir la misma cantidad de energía que se gastó en la manufactura. “En el caso de los paneles fotovoltaicos de silicio cristalino, el payback energético es de alrededor de cuatro años, mientras que en los sistemas elaborado con OPV, el payback es de menos de un año”, dice Ely. Otra diferencia de estas nuevas células radica en la posibilidad de fabricar grandes paneles flexibles elaborados de plástico o tela, mediante métodos sencillos de impresión procedentes de la industria gráfica, que permiten la producción de módulos solares livianos y en los más variados tamaños. Asimismo, las células orgánicas y las sensibilizadas con colorante cuentan con una alta fotoconversión, mediante el empleo de luz artificial, lo que hace posible su uso en ambientes internos de oficinas, fábricas y residencias.

Debido a que son livianas, flexibles y semitransparentes, la gama de aplicaciones de las células OPV y DSSC es más amplia que la de las generaciones anteriores. Puede usárselas para recargar baterías de aparatos electrónicos de baja potencia, tales como teléfonos celulares, cámaras fotográficas y tablets. También pueden integrarse en fachadas, ventanas o claraboyas de edificaciones –una aplicación conocida como building integrated photovoltaics (BIPV)– o adaptarse a ropas especiales, chaquetas y mochilas, permitiendo que los usuarios capten energía mientras se desplazan. “El Ejército de Estados Unidos tiene un proyecto de uso de estos paneles en las indumentarias de los soldados y en locales comerciales, para cargar aparatos electrónicos o en el suministro de iluminación”, afirma Ely. Otra idea es usar las OPVs en el mobiliario urbano: en paradas de autobuses, o como fuente de energía para displays de propaganda y de señalización.

No obstante, para que todo esto se convierta en realidad, deben sortearse dos grandes escollos: la escasa eficiencia y el reducido tiempo de vida útil de estos nuevos dispositivos. El índice de conversión de la energía luminosa en energía eléctrica –la relación entre la cantidad de fotones incidente sobre la célula y la cantidad de energía eléctrica convertida– de las células de tercera generación es todavía muy bajo. El índice de eficiencia máximo ‒aunque no certificado‒ obtenido hasta ahora para las células OPV fue del 12,1%, y para las DSSC, del 11,4%. En las células fabricadas con silicio cristalino, la eficiencia récord es dos veces mayor, del 24,7%. Estos valores se refieren a células pequeñas, de aproximadamente 1 cm² de superficie. En paneles de gran área, la eficiencia de conversión disminuye ostensiblemente. El bajo rendimiento de las células orgánicas se explica debido a que no absorben luz en la zona del infrarrojo, con una longitud de onda superior a los 900 nanómetros, y por las pérdidas de energía ocasionadas por la recombinación de cargas eléctricas. “La mejor manera de afrontar este problema es mediante el desarrollo de nuevos semiconductores orgánicos o sistemas compuestos, con nanomateriales”, dice Ely.

En tanto, la corta vida de estas células es el resultado de la presencia de oxígeno o humedad en su interior. Con la incidencia de la luz, especialmente la franja del ultravioleta (UV), la presencia de oxígeno y humedad da origen a elementos indeseables que reaccionan con los semiconductores orgánicos, alterando su estructura química y su funcionalidad. La solución en ese caso consiste en fabricar las células OPV en atmósfera inerte, y posteriormente encapsularlas con películas impermeables. Con relación a las DSSC, los problemas se relacionan con la confiabilidad, la durabilidad y el proceso de ingeniería implicado en la construcción. Para superarlos, el camino consiste en sustituir el electrolito líquido, para evitar pérdidas, y algunos materiales de alto costo usados en su montaje, tales como el catalizador de platino y el rutenio, uno de los elementos químicos presentes en el colorante.

Para que los paneles OPV se tornen factibles comercialmente, según estima Ely, es necesario alcanzar un nivel de eficiencia de conversión del 10% y 10 años de vida útil. Con estos valores, el costo del vatio sería de alrededor de 10 centavos de dólar. No existen datos confiables del costo de la energía fotovoltaica en Brasil, pero en Alemania, uno de los países más avanzados en lo que hace al uso de esta energía, el valor del vatio, considerando un panel de silicio cristalino con eficiencia estimada entre el 12% y el 14%, es de 1 dólar con cincuenta. “Brasil cuenta con un gran potencial para el uso de la energía solar. Por eso resulta importante dominar esta tecnología. Como todavía no hay nada comercial en la esfera de las células solares de tercera generación, veo que ésta es una gran oportunidad para que el país consolide la propiedad intelectual y fabrique y comercialice estos dispositivos”, afirma Fernando Ely.

Proyectos
1. Arquitecturas orgánicas semiconductoras para dispositivos electrónicos (nº 2006/57399-9); Modalidad Joven Investigador; Coord. Fernando Ely/CTI Renato Archer; Inversión R$ 299.265,87 (FAPESP).
2. INCT Namitec – Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Sistemas Micro y Nanoelectrónicos (Proc. FAPESP nº 2008/57862-6 y Proc. CNPq nº 573738/ 2008-4). Modalidad Proyecto Temático (FAPESP) y convocatoria de los Institutos Nacionales de C&T (CNPq);  Coord. Jacobus W. Swart/CTI Renato Archer; Inversión R$ 4.251.055,34 (FAPESP) y R$ 5.693.114,45 (CNPq).

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