En busca de la c¨¦lula solar del futuro

A la Tierra llega procedente del Sol miles de veces m¨¢s energ¨ªa de la que consume la humanidad entera. Pero es un recurso que la civilizaci¨®n casi no usa, a pesar de que hacerlo ayudar¨ªa a resolver el problema del calentamiento del planeta. Y no es que convertir la luz del sol en electricidad sea tecnol¨®gicamente complicado. Es que es caro, al menos en un mercado como el actual que no contabiliza los costes ambientales. La soluci¨®n pasa por aumentar la eficacia de las c¨¦lulas solares.

Antonio Luque, director del Instituto de Energ¨ªa Solar (IES), de la Universidad Polit¨¦cnica de Madrid, cree en el pron¨®stico de que la energ¨ªa solar fotovoltaica puede proporcionar a mediados de siglo el 30% de la electricidad consumida en el planeta. Pero con una condici¨®n: "Que se produzca un cambio fundamental en el concepto de las c¨¦lulas solares". La raz¨®n, dice, es que aunque las c¨¦lulas actuales mejoren, nunca lo har¨¢n lo bastante como para producir una parte importante de la energ¨ªa. Una c¨¦lula comercial hoy convierte en electricidad el 15% de la luz que incide en ella; hay consenso en que esa cifra mejorar¨¢ gracias a avances t¨¦cnicos, y adem¨¢s a medida que crezca el mercado -ya lo hace, y a buen ritmo- bajar¨¢n los precios. "Con eso tal vez se logre que la energ¨ªa solar proporcione el 3% de electricidad a mediados de siglo, pero no m¨¢s", asegura Luque. Por eso hace falta un "invento fundamental" que d¨¦ pie a una nueva generaci¨®n de c¨¦lulas solares, mucho m¨¢s eficaces y baratas de producir. Ese es el objetivo de centenares de investigadores en Europa, EE UU y, sobre todo, en Jap¨®n. El sector fotovoltaico se mueve, tanto a escala industrial como cient¨ªfica y los grupos compiten por producir la c¨¦lula y el m¨®dulo m¨¢s eficaz.

El sector fotovoltaico se mueve tanto a escala industrial como en el plano cient¨ªfico

En Europa se puso en marcha a finales de 2003 el proyecto FullSpectrum, que lidera el IES y en el que participan 19 centros europeos, con una financiaci¨®n para cinco a?os de 8,4 millones de euros. El nombre del proyecto hace referencia a una idea te¨®ricamente sencilla: construir c¨¦lulas que aprovechen todo el espectro electromagn¨¦tico, o casi, y no una sola parte de ¨¦l, como ahora.

Las c¨¦lulas fotovoltaicas est¨¢n hechas de materiales semiconductores que convierten la luz en electricidad. El proceso, b¨¢sicamente, es as¨ª: en los ¨¢tomos del material hay electrones ocupando varios niveles de energ¨ªa. En los niveles m¨¢s bajos, m¨¢s poblados de electrones, estos apenas pueden moverse. Pero cuando un electr¨®n salta al nivel superior puede trasladarse libremente y ser recolectado para generar corriente. La condici¨®n para que se produzca el salto es que el electr¨®n del nivel inferior reciba una cantidad de energ¨ªa igual o mayor de la que le separa del nivel superior.

En las c¨¦lulas fotovoltaicas son las part¨ªculas de luz, los fotones, las que proporcionan esta energ¨ªa. Pero no valen todos los fotones del haz de luz; aqu¨¦llos con energ¨ªa menor a la barrera entre los electrones atravesar¨¢n la c¨¦lula solar sin ser absorbidos, mientras que los de m¨¢s energ¨ªa contribuir¨¢n, con el exceso, a calentar el material.

?C¨®mo evitar ese desperdicio de fotones? La anchura de la barrera energ¨¦tica entre los electrones es una propiedad intr¨ªnseca del material, as¨ª que, ?por qu¨¦ no construir c¨¦lulas solares con varias capas de materiales distintos? Cada capa aprovechar¨ªa la energ¨ªa de distintos fotones. "Te¨®ricamente se podr¨ªa hacer c¨¦lulas con infinidad de capas, para aprovechar el 100% de los fotones", explica Ignacio Rey-Stolle, del IES. Sin llegar a ese ideal, imposible en la pr¨¢ctica, estas c¨¦lulas con varias capas existen. Se llaman multiuni¨®n, tienen por ahora s¨®lo tres capas y su l¨ªmite de te¨®rico de eficiencia es del 86%. No es el 100%, pero es mucho m¨¢s que el l¨ªmite de las c¨¦lulas convencionales, cercano al 40%.

Pero a¨²n queda mucho para siquiera rozar el l¨ªmite te¨®rico de las c¨¦lulas multiuni¨®n: en la pr¨¢ctica su r¨¦cord de eficacia actual ronda el 37%. A¨²n as¨ª, ya se han usado en sat¨¦lites espaciales. ?Por qu¨¦ no se destinan al consumo masivo? Porque son car¨ªsimas de producir.

Rey-Stolle muestra un ejemplo de la aportaci¨®n de su grupo: una placa cuadrada de vidrio de varios cent¨ªmetros de lado, construida en el programa FullSpectrum. El vidrio tiene una estructura interna como los p¨¦talos de una flor, que confluyen en el centro en un min¨²sculo punto oscuro. Ese punto es la c¨¦lula solar: un cuadradito de apenas un mil¨ªmetro de lado compuesto por dos capas -arseniuro de galio y fosfuro de galio e indio-. Cada capa absorbe fotones de una energ¨ªa distinta. El vidrio es un embudo de luz, un concentrador, que multiplica la densidad de energ¨ªa que llega a la c¨¦lula.

"Lo caro aqu¨ª es la c¨¦lula", dice Rey-Stolle. "El 80% del coste total est¨¢ en la oblea, as¨ª que nosotros apostamos por c¨¦lulas muy peque?as, y por concentrar la luz con lentes, que son baratas". La min¨²scula c¨¦lula en su mano recibe mil veces m¨¢s luz de la que recibir¨ªa sin el concentrador -trabaja, en la jerga, a mil soles-. Esta estrategia de miniaturizaci¨®n tiene adem¨¢s otra ventaja: para la fabricaci¨®n se puede recurrir a la misma tecnolog¨ªa con que se hacen los hoy ubicuos diodos l¨¢ser. "La industria no tiene que aprender t¨¦cnicas nuevas" , afirma Rey-Stolle.

La idea de hacer muy peque?o lo m¨¢s caro y usar concentradores parece tan buena que ?porqu¨¦ no ha entrado en el mercado? Porque tambi¨¦n tiene inconvenientes. Por ejemplo hacen falta paneles tipo girasol para que el sol d¨¦ de lleno en la peque?a c¨¦lula; los paneles fijos no valen. No obstante, las c¨¦lulas multiuni¨®n son tan caras que su avance ser¨ªa imposible sin los concentradores.

Uno objetivo del Fullspectrum es llevar las c¨¦lulas multiuni¨®n al mercado masivo. Pero el programa tambi¨¦n sigue otras v¨ªas para dar con la c¨¦lula fotovoltaica del futuro, como la energ¨ªa termosolarfotovoltaica: usar la luz solar para calentar un radiador, y despu¨¦s iluminar con el calor del radiador una c¨¦lula solar. El fundamento es que "un cuerpo que se calienta est¨¢ usando todos los fotones", dice Luque, "as¨ª que los fotones que la c¨¦lula solar no aprovecha pueden mandarse de vuelta al radiador para aprovechar su energ¨ªa manteni¨¦ndolo caliente. Eso puede generar un rendimiento alt¨ªsimo, en teor¨ªa". La pr¨¢ctica es m¨¢s complicada porque, al devolver los fotones al radiador, hay p¨¦rdidas.

Otra estrategia para aprovechar todo el espectro electromagn¨¦tico es usar materiales de banda intermedia, en los que el electr¨®n del nivel inferior de energ¨ªa salta a un nivel intermedio, en vez de hacerlo directamente al superior. Para dar los dos saltos el electr¨®n necesita fotones de diferente energ¨ªa, y la luz se aprovecha mejor. "Se cuestionaba la existencia de materiales de banda intermedia, pero ya no nos cabe duda de que existen", dice Luque, "pero es muy dif¨ªcil t¨¦cnicamente".

Fullspectrum explora dos ideas m¨¢s: crear materiales de banda intermedia usando puntos cu¨¢nticos -nanoestructuras-; y mol¨¦culas org¨¢nicas. El IES lidera la l¨ªnea de los puntos cu¨¢nticos, una visi¨®n a largo plazo que pretende estudiar el sistema.