Tecnología orgánica fotovoltaica energía

Actualmente, debido a la reducción de las reservas de petróleo, la búsqueda de fuentes alternas de energía, que sean renovables, económicas y limpias es de gran importancia mundial. Dentro de éstas se encuentran las celdas solares (o fotovoltaicas); las basadas en materiales inorgánicos han mostrado un gran desarrollo, sin embargo el alto costo de producción ha imposibilitado su uso masivo. Por otro lado, el empleo de materiales orgánicos, aquellos que contienen átomos de carbono en sus estructuras, es una alternativa actualmente considerada por diversos grupos de investigación. Los retos principales para las celdas orgánicas son el incremento de la eficiencia de conversión de energía solar en eléctrica, la reducción en sus costos de fabricación y tener un mayor tiempo de vida.
Algunas fuentes alternas de energía son la eólica (viento), la hidroeléctrica y la solar. Alemania es el principal generador de electricidad mediante procesos fotovoltaicos, no obstante tiene una irradiación de luz solar de aproximadamente la mitad de la de nuestro país, tomando en cuenta que Alemania tiene una superficie de menos de un cuarto de nuestro territorio.

El Plan Nacional de Desarrollo en México contempla seriamente el desarrollo de energías alternas y particularmente la fotovoltaica. El método más familiar usa celdas solares basadas en silicio donde la transformación directa de la luz del sol en electricidad se realiza a través del efecto fotovoltaico (efecto PV por sus siglas en inglés). La industria de estas celdas solares se inició en 1953 cuando científicos de los laboratorios Bell desarrollaron con éxito una celda que convertía 5 % de la energía del Sol en 5 mW de potencia eléctrica. Estas celdas han sido optimizadas y actualmente pueden operar con eficiencias de conversión eléctrica mayores al 20 % y con un tiempo de vida de 20 años. La aplicación de esta tecnología la encontramos en muchos instrumentos como en una calculadora, en un reloj, para la alimentación de teléfonos de emergencia en las carreteras, en lámparas decorativas de jardín, etc. No obstante, la tecnología PV basada en semiconductores inorgánicos como el silicio y otros, requiere condiciones de fabricación muy especializadas que implican un costo alto que hasta ahora ha restringido su uso masivo.

Tecnología inorgánica

Una alternativa a la tecnología inorgánica es el uso de semiconductores orgánicos, inventados en la década de los 70´s. Actualmente se ha demostrado el uso de ellos en diversos dispositivos, denominados opto-electrónicos, como los transistores de efecto de campo (FETs) y los diodos emisores de luz (LEDs). En los últimos 20 años se han dedicado grandes esfuerzos para desarrollar diodos emisores de luz orgánicos (OLEDs) los cuales tienen aplicaciones en pantallas (displays) e incluso en iluminación. Como resultado de estos esfuerzos, se cuenta ya con una tecnología madura que ha entrado al mercado comercial para competir en varios nichos de aplicación, sobre todo en aquellos en donde se requieren pantallas delgadas, ligeras y flexibles. La maduración de los OLEDs ha impulsado a otras tecnologías basadas en materiales orgánicos; como es el caso de la celda solar orgánica o celda OPV (Organic Photovoltaics). Es de interés mencionar que en los OLEDs se aplica electricidad y se genera luz, mientras que en las celdas OPVs se absorbe luz y se genera electricidad.
Las celdas OPVs presentan actualmente una eficiencia de alrededor de 12 %. Tanto el incremento de su eficiencia y de su vida útil, como el almacenamiento de la energía eléctrica obtenida, permitirán competir con la tecnología inorgánica convencional. Hoy el tiempo de vida de las celdas solares orgánicas producidas en los laboratorios es de semanas a meses, aproximándose cada vez más a años.
Por otra parte se recomienda tener acumuladores eléctricos para el almacenaje de esta energía eléctrica foto-generada, ya que, aún y cuando se llegara a tener una alta eficiencia, usualmente no será posible alimentar directamente a algún dispositivo
con la sola conversión solar. Por ejemplo, las pequeñas lamparillas de decoración en jardines no se encienden directamente con la conversión fotovoltaica sino que durante el día esta energía eléctrica está siendo almacenada en una pequeña batería recargable. Bastaría tener una celda solar orgánica con una relativa baja eficiencia de conversión, por ejemplo
5 %, y un buen sistema de almacenaje para que esta conversión fotovoltaica de energía eléctrica pudiera ser de utilidad para ciertos usos.
Otras dificultades que se observan en la producción de celdas inorgánicas, en particular con silicio cristalino, son su rigidez, la nula transparencia óptica y su gran peso. Por el contrario, las celdas OPVs podrán ser ligeras, transparentes y flexibles, lo cual posibilitará que puedan utilizarse en ropa y mochilas, carpas para fiestas, en ventanas de edificios, etc. (Fig.1). Así como para alimentar eléctricamente pequeños dispositivos como celulares y lámparas de iluminación. Se prevé que ambas tecnologías de celdas solares (inorgánica y orgánica) serán complementarias en un futuro encontrando cada una de ellas sus aplicaciones particulares.

GPOM-CIO y colaboradores

El GPOM-CIO es un grupo mexicano, que en conjunto con sus diversos colaboradores, a nivel nacional se ha consolidado en el área de la fotónica y opto-electrónica orgánicas. Es líder nacional en el desarrollo de celdas OPVs cuyas eficiencias de conversión energética son cercanas al 7 % y se espera incrementarlas a alrededor del 10 %. Con estas celdas, ya se han fabricado paneles que alimentan pequeños LEDs y motores eléctricos como lo ilustra la (Fig. 2).

Figura 1. Prototipo de mochila desarrollado por la compañía SOLARMER donde están integradas celdas OPVs para dar energía a productos personales (celular, cargadores varios, pequeñas lámparas, etc.). A la derecha se observan celdas OPVs transparentes y de colores (para cuidados de estética y gustos del cliente) para su posible uso en, por ejemplo, ventanas de edificios y casas; imágenes de www.solarmer.com. Potenciales usos de celdas solares orgánicas flexibles y transparentes (celdas OPVs); imágenes tomadas de www.konarka.com

Figura 2. Prototipo de panel solar basado en celdas OPVs del GPOM-CIO.
Alimentación eléctrica de un motor con prototipos de OPVs, ver video:
https://docs.google.com/file/d/0B0Ah1sti5-XAY2kzeExraXVGWWM/edit

 


 

ºDr. José Luis Maldonado Rivera / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
Centro de Investigaciones en Óptica A.C., León, Guanajuato.