En busca de la célula solar del futuro

A la Tierra llega procedente del Sol miles de veces más energía de la que consume la humanidad entera. Pero es un recurso que la civilización casi no usa, a pesar de que hacerlo ayudaría a resolver el problema del calentamiento del planeta. Y no es que convertir la luz del sol en electricidad sea tecnológicamente complicado. Es que es caro, al menos en un mercado como el actual que no contabiliza los costes ambientales. La solución pasa por aumentar la eficacia de las células solares.

Antonio Luque, director del Instituto de Energía Solar (IES), de la Universidad Politécnica de Madrid, cree en el pronóstico de que la energía solar fotovoltaica puede proporcionar a mediados de siglo el 30% de la electricidad consumida en el planeta. Pero con una condición: "Que se produzca un cambio fundamental en el concepto de las células solares". La razón, dice, es que aunque las células actuales mejoren, nunca lo harán lo bastante como para producir una parte importante de la energía. Una célula comercial hoy convierte en electricidad el 15% de la luz que incide en ella; hay consenso en que esa cifra mejorará gracias a avances técnicos, y además a medida que crezca el mercado -ya lo hace, y a buen ritmo- bajarán los precios. "Con eso tal vez se logre que la energía solar proporcione el 3% de electricidad a mediados de siglo, pero no más", asegura Luque. Por eso hace falta un "invento fundamental" que dé pie a una nueva generación de células solares, mucho más eficaces y baratas de producir. Ese es el objetivo de centenares de investigadores en Europa, EE UU y, sobre todo, en Japón. El sector fotovoltaico se mueve, tanto a escala industrial como científica y los grupos compiten por producir la célula y el módulo más eficaz.

El sector fotovoltaico se mueve tanto a escala industrial como en el plano científico

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 financiación para cinco años de 8,4 millones de euros. El nombre del proyecto hace referencia a una idea teóricamente sencilla: construir células que aprovechen todo el espectro electromagnético, o casi, y no una sola parte de él, como ahora.

Las células fotovoltaicas están hechas de materiales semiconductores que convierten la luz en electricidad. El proceso, básicamente, es así: en los átomos del material hay electrones ocupando varios niveles de energía. En los niveles más bajos, más poblados de electrones, estos apenas pueden moverse. Pero cuando un electrón salta al nivel superior puede trasladarse libremente y ser recolectado para generar corriente. La condición para que se produzca el salto es que el electrón del nivel inferior reciba una cantidad de energía igual o mayor de la que le separa del nivel superior.

En las células fotovoltaicas son las partículas de luz, los fotones, las que proporcionan esta energía. Pero no valen todos los fotones del haz de luz; aquéllos con energía menor a la barrera entre los electrones atravesarán la célula solar sin ser absorbidos, mientras que los de más energía contribuirán, con el exceso, a calentar el material.

¿Cómo evitar ese desperdicio de fotones? La anchura de la barrera energética entre los electrones es una propiedad intrínseca del material, así que, ¿por qué no construir células solares con varias capas de materiales distintos? Cada capa aprovecharía la energía de distintos fotones. "Teóricamente se podría hacer células 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 práctica, estas células con varias capas existen. Se llaman multiunión, tienen por ahora sólo tres capas y su límite de teórico de eficiencia es del 86%. No es el 100%, pero es mucho más que el límite de las células convencionales, cercano al 40%.

Pero aún queda mucho para siquiera rozar el límite teórico de las células multiunión: en la práctica su récord de eficacia actual ronda el 37%. Aún así, ya se han usado en satélites espaciales. ¿Por qué no se destinan al consumo masivo? Porque son carísimas de producir.

Rey-Stolle muestra un ejemplo de la aportación de su grupo: una placa cuadrada de vidrio de varios centímetros de lado, construida en el programa FullSpectrum. El vidrio tiene una estructura interna como los pétalos de una flor, que confluyen en el centro en un minúsculo punto oscuro. Ese punto es la célula solar: un cuadradito de apenas un milímetro de lado compuesto por dos capas -arseniuro de galio y fosfuro de galio e indio-. Cada capa absorbe fotones de una energía distinta. El vidrio es un embudo de luz, un concentrador, que multiplica la densidad de energía que llega a la célula.

"Lo caro aquí es la célula", dice Rey-Stolle. "El 80% del coste total está en la oblea, así que nosotros apostamos por células muy pequeñas, y por concentrar la luz con lentes, que son baratas". La minúscula célula en su mano recibe mil veces más luz de la que recibiría sin el concentrador -trabaja, en la jerga, a mil soles-. Esta estrategia de miniaturización tiene además otra ventaja: para la fabricación se puede recurrir a la misma tecnología con que se hacen los hoy ubicuos diodos láser. "La industria no tiene que aprender técnicas nuevas" , afirma Rey-Stolle.

La idea de hacer muy pequeño lo más caro y usar concentradores parece tan buena que ¿porqué no ha entrado en el mercado? Porque también tiene inconvenientes. Por ejemplo hacen falta paneles tipo girasol para que el sol dé de lleno en la pequeña célula; los paneles fijos no valen. No obstante, las células multiunión son tan caras que su avance sería imposible sin los concentradores.

Uno objetivo del Fullspectrum es llevar las células multiunión al mercado masivo. Pero el programa también sigue otras vías para dar con la célula fotovoltaica del futuro, como la energía termosolarfotovoltaica: usar la luz solar para calentar un radiador, y después iluminar con el calor del radiador una célula solar. El fundamento es que "un cuerpo que se calienta está usando todos los fotones", dice Luque, "así que los fotones que la célula solar no aprovecha pueden mandarse de vuelta al radiador para aprovechar su energía manteniéndolo caliente. Eso puede generar un rendimiento altísimo, en teoría". La práctica es más complicada porque, al devolver los fotones al radiador, hay pérdidas.

Otra estrategia para aprovechar todo el espectro electromagnético es usar materiales de banda intermedia, en los que el electrón del nivel inferior de energía salta a un nivel intermedio, en vez de hacerlo directamente al superior. Para dar los dos saltos el electrón necesita fotones de diferente energía, 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 difícil técnicamente".

Fullspectrum explora dos ideas más: crear materiales de banda intermedia usando puntos cuánticos -nanoestructuras-; y moléculas orgánicas. El IES lidera la línea de los puntos cuánticos, una visión a largo plazo que pretende estudiar el sistema.