Adiós a las placas solares de siempre: el invento para que las ventanas de los edificios también generen energía

Una de las grandes aspiraciones de la arquitectura sostenible es convertir las superficies que nos rodean en fuentes de energía limpia. Los paneles solares tradicionales, aunque cada vez más eficientes y sofisticados, son opacos y su instalación se limita a tejados o grandes plantas fotovoltaicas.

Sin embargo, hay alternativas como los vidrios que se integran fácilmente en la fachada de los edificios. Ahora, un equipo de científicos de la Universidad de Nanjing, en China, ha desarrollado un nuevo recubrimiento que podría transformar cualquier ventana o superficie de cristal en un panel solar semitransparente.

Este avance, que promete revolucionar la forma en la que los edificios se autoabastecen de energía, depende de un innovador material basado en la tecnología de las células solares de perovskita. Es un campo que ha acaparado la atención de la comunidad científica por su bajo coste y su alto potencial de eficiencia.

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El principal desafío hasta ahora ha sido encontrar el equilibrio perfecto entre la transparencia de la célula y su capacidad para convertir la luz solar en electricidad. Y es que, al menos hasta la fecha, un panel más transparente suele ser menos eficiente, y viceversa.

La investigación, publicada en la revista científica Photonix, presenta una solución que logra una notable mejora en ambas cualidades, además de una estabilidad y durabilidad muy superiores a las de anteriores desarrollos. Es un paso más para que pronto veamos edificios enteros cubiertos con esta tecnología.

Cómo funciona

Para entender el funcionamiento de este nuevo recubrimiento, es útil imaginarlo como un sándwich de materiales a escala nanométrica, donde cada capa tiene una función específica. El objetivo final es capturar la energía de la luz solar y convertirla en electricidad, permitiendo al mismo tiempo que la mayor parte de la luz visible lo atraviese.

La base de este invento es el electrodo transparente. Tradicionalmente, en pantallas y otros dispositivos se utiliza el óxido de indio y estaño (ITO), un material que es conductor y transparente, pero también caro, frágil y poco flexible.

Diagrama del nuevo recubrimiento y su uso en edificios Universidad de Nanjing Omicrono

Los investigadores de Nanjing lo han sustituido por una solución mucho más innovadora: una red de nanocables de plata. Estos son hilos de plata extraordinariamente finos, miles de veces más delgados que un cabello humano.

Al depositarse sobre el cristal mediante una técnica sencilla y de bajo coste llamada spin-coating —que consiste en hacer girar el sustrato a gran velocidad para esparcir el líquido de forma uniforme—, estos nanocables forman una malla invisible al ojo humano.

Esta red es altamente conductora de la electricidad, pero al ser tan fina, deja pasar la luz a través de sus huecos, funcionando como un electrodo transparente.

Sobre esta base de nanocables se deposita la capa más importante: el material activo que convierte la luz en energía. En este caso, se trata de puntos cuánticos de perovskita de bromuro de cesio y plomo.

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La perovskita es un tipo de material con una estructura cristalina que está a la vanguardia de la investigación fotovoltaica, propiciando algunos de los avances más significativos en la industria.

Al reducirla a la escala de 'puntos cuánticos' —partículas tan pequeñas que sus propiedades electrónicas se rigen por las leyes de la mecánica cuántica—, su capacidad para absorber la luz y liberar electrones se vuelve aún más eficiente.

Finalmente, para que la célula funcione, es necesario extraer esos electrones de forma ordenada. Aquí entra en juego la última capa, una película ultrafina de dióxido de titanio. Su misión es recoger los electrones generados en la capa de perovskita y dirigirlos hacia el circuito eléctrico, evitando que se pierdan o se recombinen.

El verdadero secreto del éxito de este desarrollo reside en el método utilizado para depositar esta capa: la Deposición de Capa Atómica (ALD). A diferencia de otras técnicas, construye la película átomo por átomo, creando una capa perfectamente uniforme, densa y sin ningún tipo de poro o defecto para evitar cualquier fuga de corriente.

Pruebas en laboratorio

El rendimiento de un dispositivo de estas características se mide principalmente con dos parámetros: su eficiencia de conversión de energía (PCE), que indica qué porcentaje de la energía solar que recibe se transforma en electricidad, y su transmitancia visible media (AVT), que mide la cantidad de luz visible que deja pasar. El prototipo desarrollado por el equipo de Nanjing alcanzó una eficiencia máxima del 4,61% con una transparencia del 36,4%.

Aunque esta eficiencia puede parecer baja en comparación con el 20-25% de los paneles de silicio comerciales opacos, es una cifra muy significativa para una célula solar semitransparente.

Diagrama explicativo del nuevo recubrimiento solar para vidrio Universidad de Nanjing Omicrono

La transparencia del 36,4% es comparable a la de muchas ventanas tintadas que se utilizan en edificios de oficinas o vehículos, lo que significa que su instalación no convertiría una habitación en un lugar oscuro, sino que simplemente atenuaría la luz de forma similar a un cristal ahumado. Este equilibrio es precisamente lo que se busca para aplicaciones arquitectónicas.

Sin embargo, el resultado más destacado de la investigación es la estabilidad del dispositivo, el gran talón de Aquiles de la tecnología de perovskitas hasta la fecha. Gracias a la capa de dióxido de titanio creada con la técnica ALD, que protege eficazmente la capa de perovskita de la degradación por la humedad y el oxígeno, los resultados de durabilidad fueron extraordinarios.

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El dispositivo mantuvo más del 90% de su eficiencia inicial tras 1.200 horas de iluminación continua bajo un simulador solar. Además, en pruebas de almacenamiento a temperatura y humedad ambiente, la célula solar conservó más del 95% de su rendimiento original después de 2.160 horas, es decir, 90 días.

A pesar de estos prometedores resultados, todavía existen retos importantes por superar. El principal desafío es la propia técnica ALD, que de momento es un proceso lento y caro, lo que dificulta su aplicación en grandes superficies como los ventanales de un edificio.

Los futuros esfuerzos de investigación se centrarán en optimizar y acelerar este proceso o en encontrar métodos alternativos que ofrezcan una calidad similar a un coste y velocidad compatibles con la producción industrial a escala.