Celdas solares orgánicas baten récord energético

Las celdas solares fotovoltaicas, OPV, tienen como objetivo proporcionar una solución de producción de gran cantidad de energía con bajos costes de fabricación, esta tecnología también tiene el potencial teórico de proporcionar electricidad a un costo menor que las tecnologías solares de primera y segunda generación, puesto que se pueden usar varios filtros de absorción para crear dispositivos OPV coloreados o transparentes, esta tecnología es particularmente atractiva para el mercado fotovoltaico integrado en la construcción, los OPV han logrado eficiencias cercanas al 26,6%, pero las limitaciones de eficiencia y la confiabilidad a largo plazo siguen siendo barreras importantes.

Los investigadores chinos han tomado lo que dicen es un gran paso adelante para el desarrollo de una nueva generación de celdas solares, se ha utilizado durante mucho tiempo el silicio para fabricar paneles solares porque el material era el más eficiente para convertir la luz solar en electricidad, pero la energía fotovoltaica orgánica, hecha de carbono y plástico, promete una forma más barata de generar electricidad, en un nuevo estudio se muestra que los compuestos orgánicos ahora pueden ser tan eficientes como el silicio.

El término orgánico se refiere al hecho de que los materiales basados en carbono están en el corazón de estos dispositivos, en lugar del silicio. los paneles solares sólidos cuadrados o rectangulares con los que la mayoría de nosotros estamos familiarizados, requieren puntos de instalación fijos generalmente en techos o en campos planos, la fotovoltaica orgánica, OPV, puede estar hecha de compuestos que se disuelven en tinta para que puedan imprimirse en finos rollos de plástico, pueden doblarse o curvarse alrededor de estructuras o incluso incorporarse en la ropa, a diferencia de la mayoría de las celdas solares inorgánicas, las celdas OPV usan absorbentes moleculares o poliméricos, lo que resulta en un excitón localizado.

Los absorbentes se usan en conjunción con un captador de electrones, como el fullereno, que tiene estados de energía orbital molecular que facilitan la transferencia de electrones, al absorber un fotón, el excitón resultante migra a la interfaz entre el material absorbente y el material captador de electrones, en la interfaz, el desequilibrio energético de los orbitales moleculares proporciona suficiente fuerza motriz para dividir el excitón y crear portadores de carga libres.

La energía solar fotovoltaica comercial suele cubrir de un 15 a un 22% de la luz solar, pero la cifra récord mundial es de 26,6% alcanzado en Japón en 2016, los OPV han permanecido por mucho tiempo en alrededor de la mitad de esta tasa, pero este año ha visto algunos avances importantes hacia adelante, en abril, los investigadores lograron llegar al 15% en las pruebas.

Ahora este nuevo desarrollo empuja eso más allá del 17%, y sus autores manifiestan que pueden lograr llegar hasta un 25%, de manera posible, esto es importante porque según las estimaciones, con una eficiencia del 15% y una vida útil de 20 años, las celdas solares orgánicas podrían producir electricidad a un costo de menos de 7 centavos de dólar por kilovatio-hora.

Las celdas OPV usan moléculas con una amplia absorción de la porción visible cercana del espectro electromagnético

En 2017, el costo promedio de la electricidad en los Estados Unidos, fue de 10.5 centavos de dólar por kilovatio-hora, según la administración de información de energía norteamericana, una de las particularidades que ha hecho que la OPV sea menos eficiente en el pasado es el hecho de que los materiales orgánicos tienen moléculas débilmente unidas que pueden atrapar electrones y ralentizar la generación de electricidad.

Por ello, los investigadores han intentado evitar esto al juntar diferentes capas de materiales en lo que se denomina un enfoque de celdas en tándem, «la celda en tándem indica que tiene dos dispositivos integrados en la misma estructura», explicó el Dr. Yongsheng Chen, de la universidad de Nankai en Tianjin, China, «tenemos dos capas de materiales activos, cada capa puede absorber diferentes longitudes de onda de luz. Eso significa que puede utilizar la luz solar en las longitudes de onda más amplias o de manera más eficiente y esto puede generar más corriente».

A manera de alegoría, el Dr. Yongsheng Chen compara la OPV con diodos emisores de luz orgánicos u OLED, que es una tecnología que se ha introducido en los últimos años y se usa ampliamente para televisores de alta gama, «estos ya son comerciales y usan un material similar a la OPV», explicó Chen, «el principio físico es el mismo, solo una dirección diferente, uno es de la energía solar a la electricidad, el otro de la electricidad a la luz, el dispositivo y la estructura son similares», el científico expreso, «soy muy positivo para OPV, y puede que no necesite cinco años», agregó.

Las celdas solares flexibles e impresas ofrecen una amplia gama de posibilidades, ya que pueden trabajar en interiores y se pueden hacer semitransparentes, por lo que podrían incorporarse a las ventanas y generar energía durante el día, ofrecen un gran potencial para los edificios, ya que son livianos, por lo que podrían ser ideales para instalarse en techos de casas en países en desarrollo donde las estructuras podrían no ser adecuadas para silicio pesado y hasta podrían usarse en los techos de los automóviles y en la ropa, incluso en gafas, para cargar tu teléfono mientras estás fuera de casa.

«Esto me parece un resultado extraordinario», dijo el Dr. Artem Bakulin, del Imperial College de Londres, pues «el desarrollo de tales nuevos materiales con propiedades previamente impensables les permitió alcanzar la eficiencia de registro reportada y, en general, hace que la tecnología OPV sea mucho más prometedora».

El Dr. Feng Gao de la universidad de Linköping en Suecia también cree que el nuevo documento es significativo, «este trabajo es una contribución muy importante para las celdas solares orgánicas y ciertamente inspirará nuevos desarrollos en el campo», afirmó, “las celdas solares orgánicas en tándem con eficiencias récord en este trabajo indican un gran potencial de celdas solares orgánicas para aplicaciones prácticas».

Solo habrá que esperar que se vuelvan comerciales y le digan adiós a los grandes paneles de silicio y que aventajen un nuevo desarrollo en el campo de la energía, con ideas como fusionarlos a los molinos eólicos o a la tela de los ultralivianos, lo que produciría electricidad de mucho más bajo costo del esperado.