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En forma de película, las células solares de CSEM BrasilCSEM BrasilTodos los años, la Tierra recibe el equivalente en forma de luz y calor a 10 mil veces el consumo mundial de energía eléctrica. El problema reside en transformar toda esa potencia en electricidad. La tecnología más eficiente utilizada actualmente, empleada desde los años 1980, está constituida por las células fotovoltaicas de silicio, con aplicaciones limitadas, pues son pesadas y rígidas. La búsqueda actual apunta a dispositivos en forma de películas finas que puedan aplicarse y moldearse en diversas superficies, tales como vidrios de ventanas, por ejemplo, al igual que las células orgánicas OPV (del inglés Organic Photovoltaic), hechas de un material semiconductor a base de carbono. En Brasil existen varios grupos de investigación y empresas que trabajan en el desarrollo de células orgánicas.
La empresa nChemi, de São Carlos, produce nanopartículas de óxido de molibdeno, hierro, titanio y circonio, por ejemplo. Entre sus diversas aplicaciones diversas, pueden integrar algunas de las capas de las células solares orgánicas. La compañía nChemi fue creada hace un año en un laboratorio del Departamento de Química de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), que forma parte del Centro de Investigación para el Desarrollo de Materiales Funcionales (CDFM), uno de los 17 Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid) que cuentan con el apoyo de la FAPESP.
Las nanopartículas de nChemi se encuentran en análisis en el nivel de Investigación y Desarrollo (I&D) en CSEM Brasil, para su futura utilización en la empresa Sunew, de Minas Gerais, que empezó en agosto la producción de las células fotovoltaicas orgánicas. Sunew fue creada en noviembre de 2015 como una spin-off de CSEM Brasil en composición con gestoras de fondos de capital emprendedor. CSEM Brasil es una institución sin fines de lucro cuyo objetivo es desarrollar investigación tecnológica y transferírsela a la industria. Y eso fue lo que sucedió con la tecnología de las OPVs licenciada para su producción y su comercialización por Sunew. Para llegar a esa madurez tecnológica, CSEM recibió un aporte económico para la investigación proveniente la Fundación de Apoyo a la Investigación Científica del Estado de Minas Gerais (Fapemig), entre otras instituciones públicas y privadas. La empresa nChemi cuenta con financiación del Programa de Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (Pipe) de la FAPESP.
Léo Ramos
Nanopartículas en solución en nChemiLéo Ramos“Por la asociación que firmamos, nos encargamos del diseño y la producción de las nanopartículas y el CSEM hace lo propio con el análisis de su desempeño en los dispositivos fotovoltaicos”, comenta Bruno Lima, uno de los socios fundadores de nChemi. “Este acuerdo ha constituido un modelo que queremos seguir, con la participación activa del socio en el desarrollo de nanopartículas bajo demanda”. El investigador Edson Leite, del CDFM, que fue docente de Lima y de su socio, Tiago de Goes Conti, dirigió a ambos en la aplicación de las nanopartículas en OPV y en la creación de nChemi. “Los electrones se generan en el material activo de la célula, que es un polímero semiconductor”, explica Leite. “Surgen cuando el polímero absorbe la luz solar y son responsables de la generación de la energía eléctrica”. Las nanopartículas son actualmente importadas por CSEM Brasil y la idea principal del trabajo de la empresa de São Carlos consiste en erigirse en un proveedor nacional para aportar ventajas en términos de costos y logística. “Este desarrollo apunta también obtener materiales con mejor desempeño”, añade Leite.
“Las nanopartículas pueden tener diversas funciones, tales como el aumento de las propiedades mecánicas, de barrera contra la entrada de humedad externa o incluso la mejora de las propiedades eléctricas de las células fotovoltaicas orgánicas”, explica Luiza Correa, investigadora del CSEM Brasil. “Dependiendo de donde se las aplique, existe un alto potencial para aumentar la eficiencia y el tiempo de vida de los módulos”. Correa aclara que el OPV es un conjunto de capa poliméricas impresas mediante una solución sobre un sustrato, que puede ser rígido, como el vidrio, o flexible, como el plástico.
Según Filipe Ivo, gerente de Nuevos Negocios de CSEM Brasil, uno de los primeros proyectos con OPV desarrollados es la fachada de vidrio del nuevo edificio de Totvs, en São Paulo, una empresa brasileña de software, que será entregada en noviembre de este año. “Es la instalación de la primera fachada de células orgánicas encapsuladas en vidrio y generadoras de energía eléctrica del país”, asegura Ivo. “Los vidrios externos del nuevo edificio generarán energía eléctrica para el consumo interno”. CSEM mantiene también proyectos de investigación y desarrollo (I&D) con Fiat para la integración de OPVs en el techo de automóviles, con Votorantim, para su aplicación en estructuras flotantes en centrales hidroeléctricas, y con Medabil, para su aplicación en tejas metálicas, entre otros proyectos.
Léo Ramos
Prototipos de células solares en el CTI Renato ArcherLéo RamosNanopartículas semiconductoras
En el Centro de Tecnología de la Información Renato Archer (CTI) en Campinas, el investigador Fernando Ely trabaja en el desarrollo de OPVs desde 2007. Éstas se producen a partir de pinturas de nanopartículas semiconductoras en la capa activa. “Las células que desarrollamos en el laboratorio poseen en general cinco camadas, cada una de ellas con función específica de generación, transporte y recolección de cargas”, explica. “El uso de pintura viabiliza la fabricación mediante técnicas baratas de impresión de la industria gráfica, reduciendo así el costo de producción y aumentando las posibilidades de aplicaciones cuando se las realiza sobre materiales ligeros y flexibles.”
Más allá de contar con una variedad mayor de aplicaciones, las células fotovoltaicas orgánicas tiene otras ventajas. “A diferencia de las de silicio cristalino, que se caracterizan por ser monolíticas, en forma de láminas, la mayor parte de las células OPV están constituidas por películas de algunas centenas de nanómetros de espesor, depositadas sobre sustratos de vidrio o de plástico”, informa Ely. “De este modo, mientras que para fabricar un panel de silicio es necesario soldar las células individuales, los de OPV se fabrican directamente sobre los sustratos a partir de un diseño predefinido”. Esta medida, de acuerdo con Ely, simplifica el proceso productivo. El consumo de energía (eléctrica y térmica) para crear paneles fotovoltaicos tipo OPV es menor que para hacer los convencionales de silicio, que consumen más, especialmente en la etapa de purificación de la materia prima.
Leite, del CDFM, añade que a diferencia de las células orgánicas, las convencionales de silicio, como no son flexibles, son mucho más frágiles mecánicamente. En compensación, exhiben una mayor eficiencia en la conversión solar: más del 15%, ante entre el 4% y el 8% de las OPVs. Estos porcentajes indican cuánto del total de energía recibida del Sol se convierte en electricidad. Aparte la menor eficiencia energética, las orgánicas tienen otra gran desventaja, que es su menor tiempo de vida útil con respecto a las de silicio. “Al pasar a usar las nanopartículas, nuestro objetivo consiste en aumentar su tiempo de duración”, dice Leite. “En esto trabaja nChemi, en asociación con CSEM y CDFM. Las células orgánicas duran actualmente entre 5 y 10 años, mientras que las de silicio superan los 10 años.”
CSEM
Edificio en São Paulo con películas orgánicas de CSEM BrasilCSEMTambién con relación a la menor eficiencia energética de las células orgánicas, Filipe Ivo, de CSEM Brasil, acota que en esta nueva tecnología se tienen en cuenta otras variables, tales como las propias características físicas del material: levedad, transparencia, flexibilidad, baja huella de carbono y el hecho de ser reciclable, por ejemplo. “Por esos factores, las OPVs constituyen la mejor opción de utilización en varios escenarios de aplicación, como en el techo de automóviles o en fachadas de vidrio, por ejemplo”, afirma Ivo. “Es importante remarcar que la tecnología del silicio es una industria madura, con más de 40 años de existencia. En tanto, la orgánica impresa es reciente y viene ganando terreno ahora”. Para Ivo, la producción a grande escala aportará una mejora de los procesos productivos para tener impacto en la eficiencia y en la vida útil.
Ely, del CTI, es cauteloso en cuanto al avance de las OPVs. “Para que estas células se vuelvan factibles comercialmente aún es necesario superar desafíos importantes, como el aumentar la confiabilidad, la durabilidad y la eficiencia”, advierte. “Existe también la dificultad económica común a la mayoría de las fuentes de energías renovables, porque aún corren en desventaja en el precio con relación a las fuentes más tradicionales, tales como la hidroeléctrica o la térmica.”
China tiene la mayor potencia instalada
La utilización de energía solar crece en todo el mundo. Según el boletín La energía solar en Brasil y en el mundo 2015, publicado en julio de este año por el Ministerio de Minas y Energía (MME) de Brasil, la potencia instalada en el mundo el año pasado era de 234 GW (gigavatios), lo que corresponde a 16,7 centrales de Itaipú. China ocupa el primer puesto, con 43,4 GW, seguida por Alemania, con 39,6 GW, y por Japón, con 35,4 GW. Brasil, en julio, contaba con tan sólo 51 megavatios (MW) de potencia instalada con generación solar, correspondientes a 3.851 instalaciones (el triple de lo que había ocho meses antes), fundamentalmente residencias, empresas y fábricas. También de acuerdo con el boletín del MME, el Plan Decenal de Expansión de Energía prevé que la capacidad instalada de generación solar llegue al 1% del total de la energía producida en el país en 2024. En julio, ese índice era de tan sólo el 0,01%, según el Banco de Informaciones de Generación, de la Agencia Nacional de Energía Eléctrica.
Proyectos
1. Pintura nanoestructurada para células fotovoltaicas orgánicas (nº 2015/15921-0); Modalidad Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (Pipe); Investigador responsable Tiago de Goes Conti (nChemi); Inversión R$ 124.450,00.
2. Síntesis de nanopartículas funcionales a escala piloto (nº 2014/21682-5); Modalidad Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (Pipe); Investigador responsable Bruno Henrique Ramos de Lima (nChemi); Inversión R$ R$ 113.157,00.
