jueves, 11 de octubre de 2012

AVANCES TECNOLOGICOS EN ENERGIA FOTOVOLTAICA


Un par de resultados hacen vislumbrar que pronto nos podremos desconectar de la red eléctrica y de las compañías que la abastecen.
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Esquema de heterounión de silicio cristalino y amorfo que en célula fotovoltaica tiene un rendimiento del 21%. Fuente: EPFL.
Las sondas espaciales Voyager están ya cruzando los límites del Sistema Solar después de más de tres décadas de viaje. Se mueven por inercia y los pequeños sistemas de orientación gastan poco a poco el combustible. Además, muchos de los instrumentos están apagados porque el generador eléctrico de radioisótopos hace tiempo que no puede abastecerlos a todos. 
Estos generadores se basan en un isótopo de plutonio que está caliente por su propia desintegración radiactiva, pero al cabo de todo este tiempo ya se ha desintegrado una parte apreciable y ya no produce tan calor como al principio. Gracias a la diferencia de temperatura (la termodinámica no puede ser eludida) entre esas pastillas de plutonio y el frío espacio exterior unos pares termoeléctricos producen electricidad. La eficiencia de esos pares termoeléctricos es muy baja, por eso no se utilizan para producir corriente a partir de fuentes de calor. Los mejores sistemas termoeléctricos actuales tienen una eficiencia de un 5% a un 7%.
Pero las centrales térmicas o nuestros automóviles tampoco son muy eficientes y emiten mucha energía en forma de calor que no se aprovecha. Si hubiera un sistema termoeléctrico de alta eficiencia podríamos ahorrarnos muchos euros, energía y emisiones. Ténganse por ejemplo en cuenta que un 40% de la energía de la gasolina termina perdiéndose en forma de calor por el tubo de escape.
Pues bien, después de 50 años de investigaciones parece que por fin se está cerca de esa meta de un sistema termoeléctrico realmente rentable. Investigadores de Northwestern University han conseguido un rendimiento del 20% en un prototipo de sistema termoeléctrico.
Para entender lo que han logrado conviene recordar antes unos pocos conceptos sobre el calor en los sólidos. El calor se puede transmitir a través de un sólido por conducción gracias a dos objetos: electrones y fonones. Los primeros se pueden mover libremente por un metal y es la razón por la cual no es muy conveniente tocar la cuchara de metal que se ha dejado en la sartén durante demasiado tiempo. El metal conduce muy bien el calor y uno termina quemándose en ese escenario. Si en lugar de una cuchara metal usamos una cuchara de cerámica comprobaremos que también se calentará. A través de la estructura cristalina se pueden mover cuantos de oscilaciones de la red a los que llamamos fonones (cuasipartícula) que también transportan el calor. Un cristal, como los cristales de una cerámica, también transporta el calor. Naturalmente las aleaciones metálicas también tienen cristales en su interior, así que conducen el calor gracias a los dos mecanismos.
Un amorfo, que es un material sin estructura cristalina, como por ejemplo el vidrio de las ventanas, será un mal conductor del calor, sobre todo si no es metálico (hay amorfos metálicos, pero esa es otra historia). Una cuchara de madera o de plástico la podremos dejar en la cazuela sin que nos queme al tocarla.
El problema que existe en los generadores termoeléctricos es que hay que conseguir aunar las características de los fonones y los electrones si queremos mejorar el rendimiento, los primeros para la parte térmica y los segundos para conducir la electricidad. Se trata de evitar que el calor emigre rápidamente al exterior con facilidad, pero favoreciendo la generación de corriente eléctrica. Esto se puede conseguir desacoplando los electrones de los fonones, o lo que es lo mismo, dejando a los electrones que fluyan para producir electricidad mientras que se impide que se pierdan fonones. Pero llevarlo a la práctica no es fácil. Estos científicos han realizado esta meta distribuyendo el flujo en tres diferentes longitudes de onda de fonones, lo que permite que los electrones pasen mientras que los fonones están atrapados en distintas capas.
Además de las aplicaciones obvias en automóviles, generadores, calderas, etc., también se podrían usar en sistemas fotovoltaicos por concentración en el que una célula fotovoltaica de alta eficiencia cede el calor residual a una célula termoeléctrica. De este modo se podría aprovechar gran parte del espectro, incluso la parte infrarroja.
Por otro lado, científicos de la Ecole Polytechnique Federale de Lausanne han conseguido una célula solar híbrida de silicio que ha batido la marca de rendimiento con un 21,4%. Este rendimiento significa que una familia podría obtener toda su electricidad para su casa unifamiliar con unos paneles solares de 2500 dólares. Este resultado se publica en IEEE Journal of Photovoltaics.
Aunque se han conseguido rendimientos más altos con células especiales, suelen estar basados en materiales caros y en métodos de fabricación complejos que elevan mucho su precio. Por esta razón normalmente se piensa en el uso de sistemas concentración que encarecen la instalación. Las mejores células monocristalinas de silicio tienen un rendimiento del 18-19%.
Esta nueva célula está hecha de silicio, que es barato y cuya manufactura se conoce muy bien. El mayor rendimiento se obtiene gracias a la aplicación de dos capas (de una centésima de micra de grosor) de silicio amorfo en ambas caras de una oblea de silicio monocristalino. Esta tecnología de heterounión mejora la captación de la luz por parte de la célula y, por tanto, su rendimiento. La medición a circuito abierto arroja 726 mV de voltaje, que también es una marca en su categoría. Un cambio de substrato permitió a estos investigadores incluso superar el 22% de eficiencia. Además sólo se necesitará unos pocos años para comercializar estos avances. En tres o cinco años esperan producir un metro cuadrado de células a un costo de 100 dólares. Esa superficie produciría de 200 a 300 kWh de electricidad en un año.
Cada día estamos más cerca de poder desacoplarnos de la red eléctrica y de las compañías que producen electricidad.