Así será la energía solar del futuro

El sol baña la Tierra cada día con enormes cantidades de energía, una energía que no se agotará mientras viva nuestra estrella. Una pequeña parte de esta energía alimenta la vida en nuestro planeta, pero la inmensa mayoría regresa al espacio, desaprovechada. Sin embargo, las personas hemos dado una manera de cosechar los rayos del sol y así generar electricidad, aunque a partir de tan solo una pequeñísima fracción de la energía que a diario nos regala nuestra estrella.

¿Cómo cambiaría la sociedad si supiéramos aprovecharnos mejor del sol? “La energía solar es muy democrática”, explica en entrevista telefónica Emilio Palomares , investigador del Institut Català d’Investigació Química (ICIQ) en Tarragona. Aunque a algunos lugares llega más luz que a otros, en gran parte de la Tierra el sol está al alcance de todas las personas. Si se pudiera utilizar mejor su energía, la economía cambiaría radicalmente: la sociedad ya no dependería de unas fuentes energéticas finitas y concentradas en las manos de unos pocos. También se podría reducir la emisión de gases de efecto invernadero, y por lo tanto mitigar el cambio climático.

Si se pudiera aprovechar mejor la energía del sol, la sociedad ya no dependería de unas fuentes energéticas finitas y concentradas en las manos de unos pocos

El problema, señala Palomares, es que las tecnologías actuales para captar la energía del sol son muy poco eficientes: los paneles solares comerciales típicos, hechos de silicio, sólo son capaces de transformar en electricidad menos de un cuarto de la energía que les llega. El resto se desaprovecha. Y para generar suficiente energía hacen falta enormes cantidades de silicio purificado, que no es precisamente económico, informa Edgardo Saucedo , investigador del Institut de Recerca en Energia de Catalunya (IREC) en Barcelona. Instalar paneles solares en un tejado puede costar varios miles de euros; a estos precios, los combustibles fósiles siguen siendo más baratos.

Para convertir la energía solar en una fuente competitiva y realmente al alcance de todos, los científicos se las están ingeniando para dar con alternativas al silicio: materiales fotovoltaicos diseñados desde cero para ser altamente eficientes captando los rayos del sol. La mayoría de esfuerzos están centrados en las llamadas tecnologías de película fina, celdas solares que miden desde nanómetros a unos pocos micrómetros (entre un millón y mil veces más finas que un milímetro). La idea es que, al ser tan delgadas, la cantidad de material utilizado sea tan ínfima que su coste sea muy barato.

Celda de perovskitas. Son el material que más esperanzas ha despertado, por lo rápido que ha aumentado su eficiencia (ICIQ)

De estas nuevas tecnologías, las que más esperanzas han despertado son las llamadas perovskitas. “Son un material híbrido, formado por plomo, yodo y una molécula orgánica”, explica Emilio Palomares. Sus propiedades fotovoltaicas se descubrieron en 2012 y, desde entonces, en una carrera frenética de menos de seis años a la que se han sumado cientos de científicos en todo el mundo, prácticamente han logrado igualar al silicio en eficiencia, con un récord del 22%. “Y en menos de cinco años más lo superarán”, afirma Palomares, quien dirige un grupo de investigación con el objetivo de mejorar la eficiencia de las perovskitas.

Los materiales y el proceso de fabricación de este tipo de celdas son muy económicos, pero presentan un grave inconveniente: las perovskitas son solubles en agua. Y contienen plomo, que es altamente tóxico. Si se utilizaran en paneles solares en su punto de desarrollo actual, “podrían causar un enorme desastre medioambiental”, declara Palomares. “Se está investigando para sustituir el plomo por otro elemento”, explica Jordi Martorell , investigador de del Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) en Castelldefels, experto en celdas solares orgánicas y de perovskitas, “aunque por el momento no ha habido éxito”. También tienen otro problema: son muy poco estables y se degradan al poco tiempo de empezar a funcionar, por lo que aún queda un largo camino para que se conviertan en una realidad en el mercado de la fotovoltaica.

Las celdas solares de capa fina son ligeras y flexibles, lo que permitirá integrarlas en superficies como la ropa o los materiales de construcción (IREC)

Más seguras y estables, si bien menos eficientes por el momento, son las denominadas kesteritas. Son un material totalmente inorgánico, hecho de elementos muy abundantes en la corteza terrestre (contienen cobre, zinc estaño y azufre o selenio), económicos y sostenibles de extraer, señala Alejandro Pérez, científico del IREC que lidera un grupo que investiga esta tecnología. Son una alternativa al CIGS, otra tecnología de película delgada que ya está disponible a nivel comercial, pero que “contiene metales muy escasos y preciados (indio y galio, que se usan para fabricar pantallas planas), por lo que no se puede fabricar en masa”, informa Edgardo Saucedo, que trabaja junto con Alejandro Pérez. Mientras que el CIGS tiene una eficiencia récord de alrededor del 22%, las kesteritas, mucho más recientes, todavía están en poco más del 12%, según datos del National Renewable Energy Laboratory (NREL) de Estados Unidos.

No obstante, aunque no lleguen a la eficiencia del silicio convencional, cuyo récord de eficiencia lleva décadas estancado en un 25%, las tecnologías de película delgada ofrecen otras ventajas. Las celdas son tan finas que pesan muy poco y además son flexibles. “Eso permitiría integrarlas en construcciones, por ejemplo, en forma de tejas solares. También en sustratos textiles”, afirma Pérez. “Nuestra fantasía es una energía fotovoltaica ubicua, que esté en todas partes”. El investigador imagina un futuro en el que existan mochilas o incluso chaquetas capaces de recargar la batería de un móvil después de un paseo bajo el sol.

Edificios y coches capaces de generar toda la energía que consumen, por otra parte, son el objetivo de Jordi Martorell. Y para conseguirlo, lo que considera la mejor opción son las celdas hechas de materiales orgánicos, polímeros que, aunque no sean especialmente eficientes transformando la energía del sol –su récord está en un 11% –, ofrecen otras ventajas respecto al silicio. “Son flexibles, ligeras y el proceso de fabricación es mucho más económico”, detalla el investigador. Y, además, son transparentes, lo que las hace ideales para las ventanas.

Las celdas fotovoltaicas orgánicas pueden ser casi totalmente transparentes. En la imagen, un prototipo fabricado en el ICFO (Elsa Velasco)

“En todas las ciudades hay más superficie vertical que horizontal, especialmente en los rascacielos”, argumenta. Si las ventanas de los edificios más altos se convirtiesen en paneles fotovoltaicos, se podría generar diez veces más energía que si sólo se instalasen celdas solares en el tejado, pronostica Martorell. “Pero obviamente la gente quiere ventanas transparentes, y no de colores”, algo que sólo pueden proporcionar las celdas orgánicas. Otra aplicación serían los vehículos. “Con ventanas fotovoltaicas y paneles solares en el techo, los coches eléctricos podrían ser totalmente autónomos, incluso con la eficiencia actual de las celdas orgánicas”, afirma Jordi Martorell.

Pero aun recubriendo todas las superficies posibles de las celdas fotovoltaicas hasta ahora mencionadas no se estaría aprovechando toda la energía que llega del sol. La mayoría lo hace en forma de luz infrarroja, fuera del espectro visible, y escapa de las capacidades de las perovskitas, el CIGS, las kesteritas y las celdas orgánicas convencionales. “Sólo si aprovechamos el infrarrojo seremos capaces de crear celdas solares de mayor rendimiento”, afirma Gerasimos Konstantatos , investigador del ICFO. Y para tal fin, el grupo que dirige Konstantatos investiga los denominados puntos cuánticos, cristales de unos pocos nanómetros formados solo por entre cien y mil átomos. Son muy fáciles de producir, explica, y se puede controlar su tamaño con gran precisión. Variándolo se puede escoger que absorban la luz a distintas longitudes de onda, incluyendo el infrarrojo cercano. El récord actual de eficiencia de este nuevo material está alrededor del 11%.

Los puntos cuánticos se fabrican en soluciones líquidas. Para controlar en qué longitudes de onda absorben la luz (y qué color tienen) basta con cambiar su tamaño (Elsa Velasco)

Una fuente energética inagotable, pero sin aprovechar

“La energía fotovoltaica empieza a ser competitiva a nivel de costes, especialmente en el cinturón solar, que comprende los países con más horas de sol, como España”, explica Alejandro Pérez. En todo el mundo, sólo un 1,3% de la energía que se consume es fotovoltaica, según el informe Photovoltaics Report , publicado en 2017 por el Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar ISE de Freiburg (Alemania). En Alemania, país líder en esta tecnología, junto con Italia y Grecia, prácticamente un 7% de la energía consumida es de origen fotovoltaico. En cambio, en España la proporción es de tan sólo un 3%, según un informe de 2016 de la Unión Española Fotovoltaica (UNEF). Según denuncian investigadores como Emilio Palomares y Edgardo Saucedo, eso se debe a impedimentos políticos y legales como el criticado impuesto al sol. “Si los alemanes lo pueden hacer, y casi no tienen sol, nosotros también”, reivindica Saucedo. “Es cuestión de voluntad política”, apostilla. “Lamentablemente, el interés del Gobierno por la fotovoltaica es nulo”, lamenta Palomares.

Celda de puntos cuánticos producida en el ICFO. Su principal punto fuerte es que es capaz de absorber luz en el espectro infrarrojo (Elsa Velasco)

Los investigadores apuestan por la energía solar ya no solo por los beneficios sociales y medioambientales. “Con el transporte de la energía de las grandes centrales hasta los hogares se producen pérdidas”, señala Edgardo Saucedo. “Si se instalasen paneles fotovoltaicos en casa o se generase por barrios sería un modelo más eficiente, que supondría un ahorro para los consumidores”, concluye.

“En el futuro, si se quiere reducir el uso de combustibles fósiles, tendremos que construir un modelo que combine diferentes fuentes de energía”, explica Alejandro Pérez. “La energía fotovoltaica tiene el potencial para ser una de las principales”, asegura.