La energía solar, esa gran desconocida

Dr Diego Alonso Álvarez

Aprovechar la energía del Sol no es fácil…, Bueno, eso no es del todo cierto. Los seres humanos aprovechamos esa energía cada segundo de nuestras vidas, al menos indirectamente. A ella debemos el clima templado de la Tierra, los fenómenos climatológicos, el desarrollo de las plantas y el crecimiento de los animales. El mundo que conocemos es como es gracias a que el Sol nos provee de la energía para ello. De modo que reformularé el problema: aprovechar la energía del Sol para producir electricidad no es fácil.

La electricidad es un fenómeno que existe de forma natural pero no en las cantidades que el mundo moderno necesita. Desde su descubrimiento y el comienzo de su explotación durante la segunda mitad del siglo XIX, se han ideado numerosos medios para crearla y más aún para consumirla. Conocemos bien estos últimos pero los primeros, los modos para producirla, ni son tantos ni tan conocidos: casi todos ellos se reducen a tener un fluido moviendo una turbina. Qué fluido se mueve y por qué se mueve es lo que diferencia unos medios de otros. Así por ejemplo, en las centrales hidroeléctricas, el fluido es el agua almacenada en una presa que cae por la acción de la gravedad, moviendo la turbina en el proceso. En los parques eólicos, es el viento quien mueve las aspas de los aerogeneradores. Por otro lado, las centrales térmicas de cualquier tipo usan vapor para mover la turbina. Este vapor se puede generar quemando carbón, petróleo, gas, usando el calor interno de la Tierra o el procedente de la desintegración radiactiva de ciertos elementos químicos en las centrales nucleares, pero el resultado es el mismo: un fluido (vapor) moviendo una turbina. También se basa en este principio el funcionamiento de las centrales solares térmicas en las que el vapor se genera utilizando el calor del sol.

Sin embargo, existe otra manera de aprovechar directamente la luz del Sol para producir electricidad. Esta forma es un mundo completamente aparte. No hay intermediarios, no hay turbinas ni elementos mecánicos que se muevan, es completamente silenciosa y puede utilizarse en cualquier parte. Esta es la energía solar fotovoltaica, en la que la luz del Sol es transformada directamente en electricidad. Probablemente a la mayoría nos resulte familiar, al menos de vista: paneles solares de color azul negruzco cubriendo tejados o alineados en filas interminables en el campo; a veces también en lo alto de algunas señales de tráfico o farolas; en pérgolas y tejados de aparcamientos o centros comerciales; y, cómo no, en las míticas calculadoras con un pequeño rectángulo de color marrón-rojizo oscuro que, si tapabas, dejaban de funcionar.

El principio de funcionamiento es sorprendentemente sencillo. Los materiales de los que están hechos los paneles solares – y más en concreto, las células solares, que son quienes hacen de verdad el trabajo – son semiconductores. En principio, los materiales semiconductores no conducen la electricidad de forma normal, pero se les puede animar para que lo hagan. Esto se puede conseguir conectándoles a una fuente de alimentación externa – una pila, por ejemplo – o mediante luz. Literalmente, son los mismos con los que se fabrican los microchips en cualquier ordenador o teléfono móvil, los sensores de las cámaras fotográficas y gran parte de los láseres o los diodos LED, cada vez más extendidos para iluminación, por ejemplo. El semiconductor más común, y del que están hechas la mayoría de las células solares, es el silicio al que debemos la revolución tecnológica de mediados del siglo XX. Una célula solar no es más que un dispositivo semiconductor diseñado específicamente para colectar la corriente eléctrica que se genera cuando el material semiconductor del que está hecha absorbe luz del color apropiado.

Naturalmente, tiene “peros” y el principal responsable es el propio Sol.

Según hemos comentado más arriba, la célula solar producirá electricidad cuando absorba luz del color apropiado, es decir, con la energía apropiada. El Sol, sin embargo, emite luz en un rango de energía enorme, desde luz ultravioleta a la infrarroja, pasando por todos los colores del arcoíris. Una célula solar no puede absorber la luz que tenga demasiada poca energía y por tanto no podrá aprovechar la mayor parte de la luz infrarroja para producir electricidad. Por otro lado, gran parte de la luz visible y ultravioleta sí que será absorbida y producirá electricidad, pero estos colores tienen demasiada energía y la mayoría se malgastará en forma de calor. Sólo luz con cierta energía muy concreta, característica de cada material semiconductor, se absorberá y usará casi íntegramente en producir electricidad. Debido a este amplio rango de energías que tiene la luz del Sol, una célula solar ideal sólo podrá usar en torno al 33% de ella para producir electricidad. En la práctica las células solares rara vez usan más del 20 o el 25%.

 

A la comunidad científica que trabajamos en este campo, estos límites no nos gustan y nuestros esfuerzos se centran en dos vertientes: abaratar costes y aumentar la eficiencia. La solución que por el momento más éxito ha tenido para lo segundo es, nuevamente, muy simple: apilar una célula solar encima de otra, las llamadas células multi-unión o células tándem. Cada célula en la estructura está fabricada con un material semiconductor distinto, escogido para utilizar de manera óptima una parte de toda la luz del Sol. La luz no absorbida por la primera célula, la atraviesa y pasa a la segunda, y la que esta no absorbe, pasa a la siguiente, y así sucesivamente. Mediante este método se han llegado a fabricar estructuras que utilizan hasta el 46% de la energía del Sol para producir electricidad, aunque los límites teóricos para este diseño son mucho mayores. Por el momento, este tipo de células son muy caras y sólo se usan de manera habitual en la industria espacial o de tamaño muy pequeño en sistemas de concentración, pero ya ha quedado demostrado que puede hacerse.

Todos esperamos que nuestro trabajo en nuevos materiales, mejores diseños e incluso en ideas radicalmente nuevas permitan en tiempos no muy lejanos aprovechar la energía del Sol en todo su esplendor, de manera eficiente y accesible para todo el mundo. Por ejemplo, parte de nuestra investigación consiste en crear nuevos materiales para las células multi-unión que usen elementos abundantes, baratos y no tóxicos, todo ello sin afectar su eficiencia. Otro tipo de células solares, llamadas de “portadores calientes”, intentan extraer la energía absorbida por el material semiconductor antes de que le dé tiempo a perderse en forma de calor. Finalmente, algunos de nosotros asumimos que ese calor se va a producir igualmente y trabajamos en diseñar células solares específicas para sistemas híbridos fotovoltaicos-térmicos, capaces de producir energía en forma de calor a alta temperatura y electricidad al mismo tiempo.

Con todo ello, confiamos en aportar nuestro granito de arena y hacer del mundo, en último término, un lugar mejor para vivir.

 

Por Dr Diego Alonso Álvarez, Investigador postdoctoral, Imperial College London. SRUK Delegacion de Londres.

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