El sol emite suficiente energía a la Tierra cada segundo para satisfacer la demanda energética humana durante más de dos horas. Dado que está fácilmente disponible y es renovable, la energía solar es una fuente atractiva de energía. Sin embargo, hasta 2018, menos del dos por ciento de la energía mundial provenía del sol. Históricamente, la recolección de energía solar ha sido costosa y relativamente ineficiente. Incluso este escaso uso de la energía solar es una mejora con respecto a las dos décadas anteriores, ya que la cantidad de energía recolectada a nivel mundial aumentó más de 300 veces entre 2000 y 201Los avances tecnológicos en los últimos veinte años han impulsado esta mayor dependencia de la energía solar al disminuir los costos, y los nuevos desarrollos tecnológicos prometen aumentar aún más el uso de paneles solares al reducir los costos y aumentar la eficiencia.
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 lumínica en electricidad, han disminuido constantemente. El Laboratorio Nacional de Energía Renovable, un laboratorio gubernamental de Estados Unidos que estudia la tecnología de las células solares, estima los contribuyentes a la creciente asequibilidad de la energía solar. Calculan que los costos duros, los costos del hardware físico de las células solares, y los costos blandos, que incluyen mano de obra o 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 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 los materiales y a 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, necesitan estar compuestas por algún material que sea bueno para capturar energía de la luz. Este material puede estar en sandwich entre dos placas metálicas que transportan la electricidad capturada a donde se necesite, como las luces de una casa 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 baja energía está llena de muchas partículas pequeñas cargadas negativamente llamadas electrones, pero la banda de conducción de alta energía está en su mayoría vacía. Cuando los electrones son golpeados por partículas de luz, llamadas fotones, pueden absorber suficiente energía para saltar desde la banda de conducción de baja energía hacia la banda de valencia de alta energía. Una vez en la banda de valencia, la energía adicional en el electrón puede ser recolectada como electricidad. Es como si los electrones estuvieran sentados en la parte inferior de una colina (la banda de conducción) y fueran golpeados por un fotón que les da la energía para saltar a la cima (la banda de valencia).
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 según las propiedades de un material dado. El tamaño de esta brecha de energía 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 recolección solar, lo que hace que la elección del material de la célula solar sea importante.
Históricamente, el silicio ha sido el material más popular para las células solares (Figura 2). Una razón 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 es muy cercana a la energía necesaria por los electrones del silicio para saltar la brecha de energía. Teóricamente, aproximadamente el 32% de la energía lumínica 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 económico. Es uno de los elementos más abundantes en la Tierra, y el costo de su refinación ha disminuido drásticamente desde 1980. Las industrias de células solares y electrónicos han impulsado la disminución del costo de purificación a medida que han aprendido mejores técnicas de purificación a granel para impulsar la demanda de células solares y electrónicos de consumo.
Además de la disminución de los costos de los materiales, los trucos ingeniosos de ingeniería están aumentando la eficiencia de las células solares de silicio acercándolas 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 colisión fotón / electrón implica patrones de silicio en las células solares en formas de pirámide microscópicas. Cuando la luz es absorbida en 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, los 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 vuelta al espacio sin golpear nunca un electrón en la célula solar. De manera similar, poner un reflector en la parte posterior de la célula solar también permite cosechar 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 capturar la luz.
Actualmente, el costo de las células solares basadas en silicio continúa disminuyendo y, a pesar de las predicciones en contrario, el costo del silicio en sí mismo sigue disminuyendo. Es probable que las células solares de silicio sigan siendo populares durante los próximos años. Se han desarrollado alternativas a las células solares de silicio, pero aún no están lo suficientemente avanzadas como para ser comercialmente viables.
El futuro de las células solares
Para superar las células solares actuales, un nuevo diseño debería ser capaz de capturar más luz, transformar la energía lumínica en electricidad de manera más eficiente y / o ser menos costoso de construir que los diseños actuales. Los productores y consumidores de energía son más propensos a 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 ser ampliamente utilizada.
La primera opción, agregar hardware que permita a las células solares capturar más luz, no requiere en realidad que abandonemos los diseños actuales de células solares. Se pueden instalar dispositivos electrónicos con la célula solar que permitan que esta siga el movimiento del sol a medida que se desplaza por el cielo durante el día. Si la célula solar siempre apunta al sol, será golpeada por muchos más fotones que si solo apuntara hacia el sol alrededor del mediodía. Actualmente, diseñar dispositivos electrónicos que puedan rastrear la posición del sol de manera precisa y constante durante varias décadas a un costo razonable es un desafío en curso, pero la innovación en este aspecto continúa. Una alternativa a hacer que la célula solar misma se mueva es usar espejos para enfocar la luz en una célula solar más pequeña y, por lo tanto, más económica.
Otro camino para mejorar el rendimiento de las células solares es aumentar su eficiencia para que sean mejores en la conversión de energía en la luz solar en electricidad. Las células solares con más de una capa de material captador de luz pueden capturar más fotones que las células solares con una sola capa. Recientemente, se han probado en laboratorio células solares con cuatro capas que pueden capturar el 46% de la energía lumínica entrante que las golpeó. Estas células todavía son en su mayoría demasiado caras y difíciles de fabricar para uso comercial, pero la investigación continua puede hacer que la implementación de estas células super eficientes sea posible algún día.
La alternativa para mejorar la eficiencia de las células solares es simplemente disminuir su costo. Aunque el procesamiento del silicio se ha vuelto más barato en las últimas décadas, aún contribuye significativamente al costo de la instalación de células solares. Al utilizar células solares más delgadas, los costos de los materiales disminuyen. Estas células solares de película delgada utilizan una capa de material para recolectar energía lumínica que solo tiene de 2 a 8 micrómetros de grosor, solo alrededor del 1% de lo que se utiliza para fabricar 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 un futuro inmediato, es probable que las células solares de silicio continúen disminuyendo su costo y se instalen en grandes cantidades. En Estados Unidos, se espera que estos disminuciones de costos aumenten la energía solar producida en al menos un 700% para 2050. Mientras tanto, la investigación sobre diseños alternativos para células solares más eficientes y menos costosas continuará. Años más tarde, es probable que veamos alternativas al silicio apareciendo en nuestras granjas solares y techos, ayudando 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 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, Estudiante de doctorado de tercer año en Biología Organísmica y Evolutiva, que estudia el desarrollo de elaióforos.
Para obtener más información:
Para obtener más información sobre las células solares de película delgada, consulta este artículo de MIT News.
Para obtener más información sobre la disminución de los costos de las células solares, consulta este artículo de MIT News.
Para una representación gráfica de cómo funcionan los paneles solares, consulta este artículo sobre la composición y la ciencia de los paneles solares.
Este artículo es parte de nuestra serie SITN20, escrita para celebrar el 20 aniversario de SITN al conmemorar los avances científicos más notables de las últimas dos décadas. ¡Consulta nuestras otras piezas de SITN20!