La energía del futuro reciclará la luz del Sol

Cuando el geólogo alemán Gustav Rose descubrió la perovskita en 1839, difícilmente podría imaginar que este mineral tendría un brillante futuro en la generación de energía eléctrica. Más de siglo y medio después, la investigación de sus propiedades se ha acelerado y los últimos resultados científicos auguran una nueva era en la energía solar fotovoltaica, mucho más eficiente y a menor coste.

Uno de los materiales sintéticos más prometedores lo conforman las perovskitas de haluro de plomo. Investigadores de la Universidad de Cambridge han demostrado que ese tipo de material es capaz de "reciclar" la luz, lo que aumentaría de forma dramática la eficiencia de las células solares a un coste relativamente bajo.

Las células solares de un panel crean cargas eléctricas mediante la absorción de fotones del Sol, pero el proceso también funciona a la inversa: cuando las cargas eléctricas se recombinan pueden crear un fotón. La investigación muestra que las células de perovskita son capaces de volver a absorber estos fotones regenerados, un proceso conocido como "reciclaje de fotones", que crea un efecto de concentración dentro de la célula.

¿En qué consiste, pues, el "reciclaje de fotones"? Luis Miguel Pazos, investigador en semiconductores y coautor del artículo publicado en Science, explica el proceso: "La luz del sol, en forma de fotones, incide en el material excitando cargas eléctricas, o electrones; posteriormente estas pueden desexcitarse, o relajarse, y regenerar fotones que se desplazan dentro del material a la velocidad de la luz". "Esos fotones regenerados pueden ser absorbidos de nuevo en un punto lejano al punto donde fueron creados originalmente", prosigue el investigador, y añade: "Este transporte de cargas en forma de luz permite que se muevan a velocidades ultrarrápidas a través del material y así llegar a los electrodos de forma muy eficiente".

En la práctica, cuando un panel solar absorbe la luz del sol y produce cargas eléctricas, parte de estas cargas se extraen y generan electricidad, y otra parte se vuelve a emitir como luz y se pierde, aclara Pazos. "El reciclaje de fotones permite que la luz emitida se vuelva a absorber, con lo cual se puede utilizar para producir más corriente y minimizar las perdidas", afirma. "Este fenómeno, que no se da en el silicio [material comúnmente utilizado para los paneles domésticos], implica que la eficiencia de un panel solar hecho de perovskitas pueda llegar incluso a superar al propio silicio", asegura el científico.

Recreación del reciclaje de fotones en una estructura cristalina de perovskita. Criss Hohmann

"Es curioso que este artículo haya entrado en Science porque es muy específico, pero hay que reconocer que este campo suele tener un gran impacto", reconoce a EL ESPAÑOL Henk Bolink, investigador senior en del Grupo de Materiales Moleculares del Instituto de Ciencia Molecular (ICMol) de la Universidad de Valencia.

Por su parte, Julia Pérez-Prieto, directora del Grupo de Reactividad Fotoquímica en el ICMol, comenta a este diario que este estudio tiene gran interés "ya que permiten comprender fenómenos aparentemente contradictorios observados en las perovskitas híbridas orgánicas-inorgánicas, en concreto la extracción de cargas a largas distancias del punto donde se han generado tras la fotoexcitación del material, combinado con la elevada eficiencia de la recombinación de las cargas en este material".

"Los autores de este artículo han diseñado una estrategia para demostrar que existen múltiples procesos de emisión-reabsorción que permite la regeneración de las cargas y, por lo tanto, la extracción de las mismas a larga distancia del punto de excitación donde se han generado", afirma la científica. "La comprensión del fenómeno puede llevar al diseño de nuevas celdas solares basadas en perovskitas con mayor eficiencia para la conversión de la luz", apunta.

Más eficiencia, sin límites a la vista

Hasta ahora, el silicio es el rey del mercado de los materiales fotovoltaicos, pero la evolución de su eficiencia energética -es decir, el porcentaje de luz solar total absorbida por un panel convertida en energía eléctrica- ha sido bastante lenta. Según recuerda Pazos, "en los últimos 20 años las células solares de silicio ha evolucionado del 24% al 25,6%".

Sin embargo, la evolución de las células de perovskitas ha sido notable: hace tan solo tres años que un grupo de investigadores liderados por Henry Snaith demostró que estas células pueden superar el 10% de eficiencia, y hoy la mejor célula de perovskita alcanza un 22,1%. "Siempre ha sido un misterio como es posible que estos materiales han tenido una mejora en eficiencia tan espectacular", añade Pazos. Y no se ha llegado al límite, "ni mucho menos".

Naturalmente, existen otros materiales que están siendo investigados en busca de una mejor eficiencia. Hace dos años, investigadores del MIT lograron demostrar en la práctica que es posible obtener dos fotones por cada electrón en células solares de un material orgánico llamado pentaceno. Y existen resultados interesantes en cuanto a la capacidad del grafeno (PDF) para transformar luz en pares de electrones-huecos.

Hasta la fecha, la mejor célula solar compuesta por un solo material está hecha de arseniuro de galio y alcanza el 29,1% de eficiencia. El investigador recuerda que "este material también mostró su capacidad de 'reciclar' fotones ya en los años 70, pero sus costes de fabricación eran muy altos e hicieron imposible su comercialización". Por contraste, las perovskitas "se pueden fabricar al aire libre y a temperaturas de 100ºC, lo que implica que se pueden producir a gran escala y a bajo coste".

Eso sí, hablamos de paneles solares realizados con un solo material. Pazos recuerda que existen paneles solares en tándem, es decir, compuestos de dos materiales combinados, y que alcanzan eficiencias del 40%. "Estos sistemas son excesivamente caros para su venta a particulares, suelen usarse para operaciones espaciales, satélites y similares en donde el coste no es tan importante", apunta. Y anuncia: "En realidad hay una forma de hacer que estos sistemas en tándem sean más baratos, pero eso será mi siguiente artículo", bromea.

Dos problemas

Así pues, si el coste de fabricar células solares de perovskitas es bajo, la materia prima cuesta casi nada y la preparación del material es también muy económica y su eficiencia es alta. ¿Por qué no se pueden comprar aún paneles solares con con este material? Henk Bolink cree que existen dos inconvenientes aún por resolver.

Por un lado, todavía se desconoce qué vida útil tendrían los paneles de este material. "Faltan datos sobre su estabilidad, es decir, cuanto vive expuesto al sol en la intemperie; se están haciendo grandes avances pero aún no llega a los 20 años demostrados que tienen los paneles de silicio". Un gran reto es, por tanto, aumentar la vida útil de los nuevos materiales y, por supuesto, demostrarlo.

Este experto comenta que existe una prueba estándar: la exposición de un panel durante 1.000 horas a unas temperaturas superiores a 80ºC equivale, según los acordados por las instituciones europeas, a 20 años de exposición al sol. "En algunas pruebas se están añadiendo iones de cesio para aumentar su estabilidad a esas temperaturas", apunta Bolink.

El otro gran inconveniente es su composición ya que contiene plomo, muy tóxico. "Casi todo el mundo ha eliminado el plomo de la gasolina, ¿y vamos a empezar a colocar paneles de perovskitas que contienen plomo?", razona el científico. "Desde luego, yo no pondría un panel con células solares con este material en un juguete", afirma, y añade: "Habría que haber dónde se aplicarán y desarrollar una manera de reciclar estos materiales al final de su vida, para poder reutilizarlos".

"Ciertamente esto es un problema que debe encontrar solución", afirma Pazos. "El uso del plomo es un problema por su alta toxicidad, y aunque es potencialmente legal en placas fotovoltaicas, se está haciendo un esfuerzo para reemplazarlo por materiales menos tóxicos".