UPR desarrolla novedosa celda solar ferroeléctrica

Por: Gerardo Morell, PhD

La celda solar es el dispositivo que convierte la energía de la luz solar en energía eléctrica. Su capacidad para generar energía eléctrica portátil la ha hecho muy útil en relojes y calculadoras, los cuales consumen poca energía. Sin embargo, serios obstáculos técnicos y económicos han retrasado el uso generalizado de la energía solar para uso residencial.

Debido al continuo aumento en el precio del petróleo y a la necesidad de desarrollar fuentes de energía renovable para conservar el ambiente, la investigación científica sobre celdas solares ha recibido gran impulso en la última década. El reto que tienen los investigadores y las investigadoras es desarrollar celdas solares más eficientes en la conversión de energía y menos costosas en su producción. Las celdas solares actualmente en el mercado están hechas a base de silicio y su eficiencia típica fluctúa entre 10% y 20%. La baja eficiencia de estas celdas obliga a aumentar el área de los paneles, aumentando así el costo y el tamaño del espacio que se requiere dedicar a la producción de energía. La inversión en paneles solares que se precisa para independizar energéticamente una residencia es de tal magnitud que toma 20 años recuperar la inversión a través del ahorro de energía. Por lo tanto, es indispensable desarrollar celdas solares más eficientes y menos costosas para hacer accesible a los consumidores y las consumidoras esta fuente de energía renovable.

La Universidad de Puerto Rico (UPR) se ha involucrado activamente en la investigación científica para el desarrollo de celdas solares novedosas basadas en óxidos metálicos en sustitución del silicio. La investigación se lleva a cabo a través del Institute for Functional Nanomaterials (IFN) adscrito al Centro de Recursos para Ciencias e Ingeniería (http://www.ifn.upr.edu) con la participación de investigadores, investigadoras y estudiantes del Recinto de Río Piedras, Recinto de Mayagüez, Recinto de Humacao y Recinto de Cayey.

El grupo investigador del IFN, que tiene reputación internacional en la fabricación y estudio de estos materiales, ha propuesto un nuevo concepto para la celda solar utilizando óxidos metálicos con propiedades ferroeléctricas, tales como el titanato de bario (BaTiO3) y el ferrato de bismuto (BiFeO3). La ventaja de estos materiales sobre el silicio que se utiliza regularmente en las celdas solares es que poseen un campo eléctrico permanente, fenómeno análogo al ferromagnetismo. El campo eléctrico de los materiales ferroeléctricos facilita la separación de las cargas eléctricas que se generan cuando la luz solar incide sobre la celda solar. La separación de cargas es el proceso crítico del cual depende la eficiencia de la celda solar.

La novedosa celda solar del IFN ha sido estudiada mediante modelos computacionales utilizando el High Performance Computing Facility (http://www.hpcf.upr.edu) de la Universidad de Puerto Rico. Las simulaciones indican que la celda solar ferroeléctrica puede alcanzar eficiencias de hasta 50%, lo cual es un avance significativo respecto a las celdas solares de silicio. El modelo indica que para lograr esta eficiencia se requiere fabricar una estructura de capas delgadas de varios materiales ferroeléctricos en secuencia (ver diagrama). La interface entre las capas debe ser perfecta para que no se pierdan cargas mientras atraviesan la estructura. Además, es necesario incorporar un excelente material conductor que transporte las cargas generadas hacia el circuito externo o la batería que se conecte a la celda solar. El grupo de investigación del IFN ha identificado al grafeno como el material que puede completar la celda solar ferroeléctrica.

El grafeno es la unidad básica del grafito que se utiliza en lápices. Aunque el grafito es negro, una capa de grafeno es tan delgada, del orden de nanómetros, que permite el paso de la luz. Por lo tanto, el grafeno en un conductor transparente que permite la entrada de la luz solar a la celda solar y transporta las cargas generadas hacia el circuito externo.

En cuanto al costo e impacto ambiental, los óxidos metálicos ferroeléctricos y el grafeno son materiales inocuos presentes en la naturaleza en cantidades abundantes. Estos materiales no tendrán un impacto negativo sobre el ambiente. En cuanto al costo de producción, la abundancia de estos materiales resulta en materia prima de bajo costo. Además, su alta eficiencia redunda en menos placas solares y menos área para alimentar una residencia. Por lo tanto, la celda solar ferroeléctrica se convertiría en lo que se conoce como una “enabling technology” o una tecnología que hará posible la utilización masiva de la energía solar.

Luego de completar el desarrollo conceptual, los investigadores y las investigadoras del IFN trabajan en el desarrollo experimental de la celda solar ferroeléctrica con una subvención de fondos de la National Science Foundation (NSF), la National Astronautics and Space Administration (NASA) y el Departamento de Energía (DOE). Estas agencias aquilataron el proyecto y decidieron entrar en un acuerdo cooperativo con la UPR para desarrollarlo bajo el programa EPSCoR (Experimental Program to Stimulate Competitve Research).

La celda solar ferroeléctrica es parte de un programa interdisciplinario más abarcador del IFN para desarrollar nuevas tecnologías de energía solar, que se conoce como Development of Light Harvesting Nanomaterials. El programa Light Harvesting incluye el desarrollo de otros conceptos novedosos, como las celdas solares orgánicas, las celdas de nitruros y los dendrímeros. Describiremos estos proyectos en otros artículos de Corriente Verde.

La meta de PR-EPSCoR es desarrollar investigación competitiva de calibre internacional que promueva el desarrollo económico de PR. Entre los objetivos de PREPSCoR está:

  • Desarrollar un entorno propicio para el logro de estándares de excelencia en la investigación en PR.

  • Desarrollar la capacidad tecnológica de PR para hacer contribuciones significativas e innovadoras en la tecnología.

  • Aumentar la capacidad de PR para responder a los retos mediante el desarrollo de talento científico de calibre internacional.

  • Fortalecer las oportunidades de investigación para estudiantes de bachillerato, maestría y doctorado y aumentar el acervo de estudiantes cualificados de ciencia e ingeniería.

  • Establecer y fortalecer los vínculos entre los investigadores y las investigadoras de PR y los laboratorios nacionales de DOE y NASA.

  • Promover la colaboración con el gobierno y la industria para el desarrollo de políticas de apoyo a la investigación competitiva en PR y el desarrollo de la economía del conocimiento.

  • Proteger propiedad intelectual de PR mediante la radicación de patentes de inventos.

  • Facilitar la transferencia de tecnología mediante el licenciamiento de patentes y acuerdos colaborativos entre las universidades y la industria.

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