Adiós a las placas solares tal y como las conocemos: el efecto fotovoltaico anómalo que podría cambiarlo todo

¿Qué pasaría si pudiéramos generar electricidad sin necesidad de fabricar una célula solar tal y como la conocemos? ¿Y si bastara con depositar un único material, sin capas, sin unión PN, sin procesado complejo, para que la luz hiciera el resto? La respuesta está en un fenómeno bien conocido en estos menesteres, el efecto fotovoltaico anómalo, pero cuya aplicación real dista mucho de hacerse realidad.

“El efecto fotovoltaico anómalo se da en ciertos materiales sin simetría de centro, que al absorber luz provocan un desplazamiento direccional de los electrones", dicta cátedra el investigador del CSIC Juan José Palacios Burgos. "Es como un metro abarrotado donde los tornos solo permiten salir en una dirección: cada fotón empuja un electrón en ese sentido, generando así una corriente sin necesidad de una estructura clásica con capas activas”. No hace falta procesado, ni fabricar una unión eléctrica: el material, por sí solo, ya responde a la luz.

Este fenómeno, conocido desde hace décadas, había permanecido como una curiosidad académica sin aplicación industrial. Pero todo cambió con la aparición de los materiales bidimensionales, como los dicalcogenuros de metales de transición (TMDs). “El grafeno es el más famoso, pero no sirve para esto porque no tiene ‘gap’. En cambio, compuestos como el disulfuro de molibdeno o el diseleniuro de tungsteno, sí. Son semiconductores con estructuras atómicas que permiten aprovechar este efecto anómalo”.

La startup noruega que llenó de paneles solares verticales el estadio nacional de Noruega para aprovecharse de la nieve

Esa es la premisa del proyecto APE2SOL, un trabajo galardonado con el III Premio Fundación Naturgy-CSIC a la investigación e innovación tecnológica en el ámbito energético, que une física fundamental y potencial tecnológico disruptivo a través del mentado efecto fotovoltaico anómalo. Detrás de él, dos nombres del Centro Superior de Investigaciones Científicas, que se sientan a explicar su labor con DISRUPTORES - EL ESPAÑOL: Juan José Palacios Burgos y Elisa Antolín Fernández.

Más voltaje, menos peso, infinitas posibilidades

Las células solares convencionales están limitadas por la física del material base. “Una célula de silicio, como las que forman el 90% del mercado, no puede darte más de 0,8 voltios. Ni aunque le pongas más sol. Su límite es estructural”, subrayan Antolín y Palacios. El efecto fotovoltaico anómalo rompe con esa barrera. “Este fenómeno podría permitir voltajes más altos, lo que haría más eficientes incluso las células existentes si se integra como capa adicional. O, más allá, abrir la puerta a dispositivos completamente nuevos, con una sola capa, ultrafinos y flexibles”.

La investigación parte, por ende, con dos estrategias: por un lado, células solares tradicionales mejoradas con materiales que presenten el mencionado efecto y, por otro, la ambiciosa hipótesis de una célula construida únicamente con ese material, sin capas adicionales. “De momento nos centramos en lo primero, porque no entendemos aún todo el potencial del APE. Pero incluso esa mejora incremental sería un avance importante”, admite Elisa Antolín.

Los investigadores Juan José Palacios, Jorge Quereda, Elisa Antolín y Simon Svatek.

Con todo, el verdadero salto viene al combinar este efecto con las propiedades únicas de los materiales bidimensionales: “Son ultraligeros, semitransparentes, muy eficientes en la absorción de luz. Eso permite imaginar módulos solares delgados como una lámina de plástico, que puedas pegar a una ventana, un dron o una mochila. Frente al silicio, que necesita vidrio, aluminio y peso, esto cambia completamente el paradigma”, afirma la investigadora.

El reto de la escalabilidad

Pero el camino desde la física hasta ocupar por completo la fachada de un edificio está lleno de obstáculos. Uno, especialmente, se repite como mantra entre ambos investigadores: la escalabilidad. “En el laboratorio trabajamos con cristales pequeños, milimétricos. Pero para fabricar un módulo solar necesitas escalar esos materiales a metros cuadrados, y eso implica pasar de monocristales a películas multicristalinas”, señalan los científicos. Ahí reside el gran desafío: mantener las propiedades electrónicas cuando el material se produce e implanta a gran escala y, además, se instala en condiciones no ideales.

“Hay dos rutas”, añade Palacios. “O se intenta hacer crecer cristales grandes —lo cual es más caro— o se acepta trabajar con policristales y se desarrolla un método de fabricación en frío, sin temperaturas extremas como las del silicio. Eso permitiría procesos más baratos y sostenibles”.

Mientras, el equipo avanza en paralelo por otra vía: pprototipos de arquitecturas mixtas, combinando capas metálicas ultrafinas (de apenas 50 nanómetros) con materiales 2D tratados de formas distintas, para inducir la asimetría necesaria. “Estamos explorando tanto combinaciones de dos materiales bidimensionales diferentes como del mismo material con ‘doping’ distinto. Aún no sabemos cuál funcionará mejor, pero al final del proyecto tendremos prototipos reales de ambas”.

Más allá del panel solar clásico

Las posibilidades de esta tecnología van mucho más allá de los parques solares al uso que todos conocemos. “Hemos hecho simulaciones para fachadas de vidrio de edificios en Madrid —explica Elisa Antolín—. Con módulos semitransparentes de estos materiales podríamos generar hasta un 20% de la energía que consume el edificio, manteniendo una buena iluminación interior. Eso es revolucionario”. También destaca aplicaciones para vehículos eléctricos, dispositivos IoT, etiquetas electrónicas en supermercados, o incluso drones autónomos para uso civil.

¿Y el calendario? “El objetivo más inmediato es fabricar una célula solar funcional de estos materiales en un área de centímetros cuadrados. Ya hemos demostrado el efecto fotovoltaico anómalo en monocristales, ahora toca escalarlo y probar que puede coexistir con el efecto clásico. Si lo conseguimos en 2026, será un hito”, coinciden los dos investigadores..

Aunque los investigadores reconocen que aún no pueden cuantificar el rendimiento final, sí creen que cada pequeño avance cuenta. “Pasar del 25% al 28% de eficiencia puede parecer poco, pero en solar eso es una revolución. Si además lo logras con menos peso, sin vidrio, sin aluminio y a bajo coste, lo tienes todo”, indica Palacios. “Nuestro proyecto tiene una pata tecnológica y otra científica. Sabemos que no todo saldrá, pero basta con que uno de los dos caminos funcione para abrir nuevas rutas a la energía limpia del futuro”.