Science in the News

de Emily Kerr
figuras de Abagail Burrus

El Sol emite suficiente energía a la Tierra cada segundo para satisfacer toda la demanda de energía humana durante más de dos horas. Dado que está disponible y es renovable, la energía solar es una fuente de energía atractiva. Sin embargo, a partir de 2018, menos del dos por ciento de la energía mundial provenía de la energía solar. Históricamente, la recolección de energía solar ha sido costosa y relativamente ineficiente. Sin embargo, incluso este escaso uso de energía solar es una mejora con respecto a las dos décadas anteriores, ya que la cantidad de energía recolectada de energía solar en todo el mundo aumentó más de 300 veces de 2000 a 2019. Los nuevos avances tecnológicos de los últimos veinte años han impulsado esta mayor dependencia de la energía solar al disminuir los costos, y los nuevos desarrollos tecnológicos prometen aumentar este uso solar al disminuir aún más los costos y aumentar la eficiencia de los paneles solares.

Células solares: Costos, Desafíos y diseño

En los últimos 20 años, los costos asociados con las células solares, las estructuras capaces de convertir la energía de la luz en electricidad, han ido disminuyendo constantemente. El Laboratorio Nacional de Energía Renovable, un laboratorio del gobierno de los Estados Unidos que estudia la tecnología de células solares, estima que contribuyen a la creciente asequibilidad de la energía solar. Estiman que los costos duros, los costos del hardware físico de la célula solar y los costos blandos, que incluyen la mano de obra o los costos para obtener los permisos gubernamentales requeridos, son aproximadamente iguales (Figura 1). Los costos blandos han disminuido porque hay más consumidores potenciales y más expertos en instalación de nuevas células solares, por lo que las empresas pueden producir células solares a granel e instalarlas fácilmente. Los costos duros son menos de la mitad de lo que eran en el año 2000, principalmente debido a la disminución de los costos de materiales y una mayor capacidad de las células para capturar la luz. La ingeniería de células solares más rentables y eficientes ha requerido una cuidadosa consideración de la física involucrada en la captura solar, además de un diseño innovador.

Debido a que las células solares se utilizan para convertir la luz en electricidad, deben estar compuestas de algún material que sea bueno para capturar energía de la luz. Este material se puede intercalar entre dos placas de metal que transportan la electricidad capturada de la energía de la luz a donde se necesita, como las luces de un hogar o las máquinas de una fábrica (Figura 2). Elegir el material adecuado para capturar la luz implica medir la diferencia entre dos niveles de energía llamados banda de valencia y banda de conducción. La banda de valencia de menor energía está llena de muchas partículas pequeñas cargadas negativamente llamadas electrones, pero la banda de conducción de mayor energía está mayormente vacía. Cuando los electrones son golpeados con partículas de luz, llamadas fotones, pueden absorber suficiente energía para saltar de la banda de conducción de baja energía a la banda de valencia de alta energía. Una vez en la banda de valencia, la energía extra en el electrón se puede cosechar como electricidad. Es como si los electrones estuvieran sentados en la parte inferior de una colina (la banda de conducción) y siendo golpeados por un fotón que les da la energía para saltar a la parte superior (la banda de cenefa).

La cantidad de energía necesaria para que los electrones salten a la banda de valencia depende del tipo de material. Esencialmente, el tamaño de la colina metafórica varía en función de las propiedades de un material dado. El tamaño de esta brecha energética es importante porque afecta la eficiencia con la que las células solares convierten la luz en electricidad. Específicamente, si los fotones golpean a los electrones con menos energía de la que el electrón necesita para saltar de la banda de valencia a la banda de conducción, no se captura ninguna energía de la luz. Alternativamente, si la luz tiene más energía de la necesaria para superar esa brecha, entonces el electrón captura la energía precisa que necesita y desperdicia el resto. Ambos escenarios conducen a ineficiencias en la cosecha solar, por lo que la elección del material de la célula solar es importante.

Históricamente, el silicio ha sido el material más popular para las células solares (Figura 2). Una de las razones de esta popularidad radica en el tamaño de la brecha entre las bandas de conducción y valencia del silicio, ya que la energía de la mayoría de las partículas de luz está muy cerca de la energía que necesitan los electrones del silicio para saltar la brecha de energía. Teóricamente, alrededor del 32% de la energía de la luz podría convertirse en energía eléctrica con una célula solar de silicio. Esto puede no parecer mucho, pero es significativamente más eficiente que la mayoría de los otros materiales. Además, el silicio también es barato. Es uno de los elementos más abundantes en la tierra, y el costo de refinarlo ha disminuido drásticamente desde 1980. Las industrias de células solares y electrónica han impulsado la disminución en el costo de purificación, ya que han aprendido mejores técnicas de purificación a granel para impulsar la demanda de células solares y productos electrónicos de consumo.

Además de disminuir los costos de materiales, los ingeniosos trucos de ingeniería están acercando la eficiencia de las células solares de silicio a su máximo teórico. Para que los fotones se conviertan en energía, primero deben chocar con un electrón. Un truco para aumentar la probabilidad de una colisión fotón/electrón implica modelar el silicio en células solares en formas piramidales microscópicas. Cuando la luz es absorbida por una pirámide, viaja más lejos, aumentando la probabilidad de que la luz colisione con los electrones en el silicio antes de escapar de la célula.

En una táctica similar, químicos y científicos de materiales han diseñado recubrimientos antirreflectantes para colocar en la parte frontal de las células solares para evitar que la luz útil se refleje de nuevo en el espacio sin golpear un electrón en la célula solar. Del mismo modo, colocar un reflector en la parte posterior de la célula solar también permite que se extraiga más luz. La luz que llega a la célula solar y llega hasta la parte posterior sin golpear un electrón rebota hacia la parte delantera de la célula, dándole a la célula otra oportunidad de recoger la luz.

En la actualidad, el costo de las células solares basadas en silicio sigue disminuyendo y, a pesar de las predicciones en sentido contrario, el costo del silicio en sí sigue disminuyendo. Es probable que las células solares de silicio sigan siendo populares en los próximos años. Se han desarrollado alternativas a las células solares de silicio, pero no están lo suficientemente avanzadas para ser comercialmente viables.

El futuro de las células solares

Para superar a las células solares actuales, un nuevo diseño tendría que ser capaz de capturar más luz, transformar la energía de la luz en electricidad de manera más eficiente y/o ser menos costoso de construir que los diseños actuales. Los productores y consumidores de energía tienen más probabilidades de adoptar la energía solar si la energía que produce es igual o menos costosa que otras formas de electricidad, a menudo no renovables, por lo que cualquier mejora en los diseños actuales de células solares debe reducir los costos generales para que se use ampliamente.

La primera opción, la adición de hardware que permite que las células solares capten más luz, en realidad no requiere que abandonemos los diseños actuales de células solares. La electrónica se puede instalar con la célula solar que permite que la célula rastree el sol a medida que se mueve a través del cielo diurno. Si la célula solar siempre está apuntando al sol, será golpeada por muchos más fotones que si solo estuviera apuntando hacia el sol alrededor del mediodía. Actualmente, diseñar dispositivos electrónicos que puedan rastrear la posición del sol de forma precisa y consistente durante varias décadas a un costo razonable es un desafío continuo, pero la innovación en este frente continúa. Una alternativa a hacer que la propia célula solar se mueva es usar espejos para enfocar la luz en una célula solar más pequeña y, por lo tanto, más barata.

Otra ruta para mejorar el rendimiento de las células solares es apuntar a su eficiencia para que sean mejores en la conversión de energía en luz solar en electricidad. Las células solares con más de una capa de material que capta la luz pueden capturar más fotones que las células solares con una sola capa. Recientemente, las células solares probadas en laboratorio con cuatro capas pueden capturar el 46% de la energía de luz entrante que las golpea. Estas células siguen siendo en su mayoría demasiado caras y difíciles de fabricar para uso comercial, pero la investigación en curso puede algún día hacer posible la implementación de estas células súper eficientes.

La alternativa a mejorar la eficiencia de las células solares es simplemente disminuir su costo. A pesar de que el procesamiento de silicio se ha vuelto más barato en las últimas décadas, sigue contribuyendo significativamente al costo de la instalación de células solares. Al utilizar células solares más delgadas, los costos de material disminuyen. Estas “células solares de película delgada” utilizan una capa de material para cosechar energía de luz de solo 2 a 8 micrómetros de espesor, solo alrededor del 1% de lo que se usa para hacer una célula solar tradicional. Al igual que las células con múltiples capas, las células solares de película delgada son un poco difíciles de fabricar, lo que limita su aplicación, pero la investigación está en curso.

En el futuro inmediato, es probable que las células solares de silicio continúen disminuyendo en costo y se instalen en grandes cantidades. En los Estados Unidos, se prevé que estas reducciones de costos aumenten la energía solar producida en al menos un 700% para 2050. Mientras tanto, continuará la investigación sobre diseños alternativos para células solares más eficientes y menos costosas. Dentro de unos años, es probable que veamos alternativas al silicio en nuestras granjas solares y tejados, lo que ayudará a proporcionar fuentes de energía limpias y renovables. Estas mejoras han sido y seguirán siendo posibles gracias al aumento de la fabricación a granel de células solares y a las nuevas tecnologías que hacen que las células sean más baratas y eficientes.

Emily Kerr, Estudiante de Posgrado en Química y Biología Química.

Abagail Burrus es una estudiante de doctorado en Biología Evolutiva y Organísmica de tercer año que estudia el desarrollo de elaióforos.

Para más información:

• Para obtener más información sobre las células solares de película delgada, consulte este artículo de MIT News
• Para obtener más información sobre los costos decrecientes de las células solares, consulte este artículo de MIT News
• Para obtener una representación gráfica de cómo funcionan los paneles solares, consulte este artículo sobre composición y ciencia de paneles solares

Este artículo es parte de nuestra serie SITN20, escrito para celebrar el 20 aniversario de SITN conmemorando los avances científicos más notables de las últimas dos décadas. ¡Echa un vistazo a nuestras otras piezas de SITN20!