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Las células fotovoltaicas orgánicas saldrán próximamente al mercado
Esta nueva generación de células solares puede proporcionar una nueva generación de fotovoltaica que produciría electricidad ecológica para alimentar teléfonos móviles o baterías de coches en un futuro muy próximo.
Las células fotovoltaicas fabricadas a base de materiales semiconductores son flexibles y finas como la película de las cámaras analógicas, además de ser muy ligeras y de poder tomar colores diferentes. Pero es en la construcción de edificios donde estas células pueden ofrecer su lista de aplicaciones más interesante, al ser posible forrar un edificio entero con ellas.
El efecto fotovoltaico sobre los materiales orgánicos ha sido conocido desde los años 60, gracias al éxito de las células convencionales que utilizan semiconductores minerales. Pero aún así, la investigación estaba limitada a unos pocos laboratorios y universidades. Además, hasta hace poco no se las tomaba en serio debido a su baja eficiencia. Pero cuando Alan Heeger ganó el Nobel de Química en el 2000 gracias a su investigación sobre la fotovoltaica orgánica, este desprecio cambió. Y va a cambiar mucho más. Empresas como BASF, BOSCH, MERCK y SHOTT están unificando fuerzas y van a invertir 360 millones de euros en la fotovoltaica orgánica. Se calcula que los primeros productos salgan al mercado en 2015.
El Dr. Siegfried Dais, alto cargo de Bosch, asegura que "queremos ofrecer una fotovoltaica barata al gran público gracias a las células orgánicas". Y esto sólo será posible si se producen en masa. Bosch está desarrollando los procesos de producción que puedan posibilitar esta fabricación en serie de células fotovoltaicas orgánicas. "También queremos dar un paso de gigante hacia una vivienda autosuficiente energéticamente". Su objetivo es desarrollar células orgánicas que tengan un rendimiento mínimo de un 10% y una vida útil de más de 20 años.
Los nuevos materiales, los procesos de fabricación y las tecnologías de instalación deben asegurar que las células orgánicas tengan mejor relación producción/precio que las convencionales. Los investigadores buscan costes de producción más bajos a base de desarrollar tecnologías de producción más eficientes a la vez que se disminuye el consumo de materias primas. Las células solares del futuro serán flexibles, pesarán menos y estárán caracterizadas por ser poco contaminantes. Y además, abrirán nuevos campos de aplicación en la arquitectura y el diseño.
Premio Nobel para los principios de la fotovoltaica orgánica
La concesión del premio Nobel de Química en 2000 para Alan Heeger, profesor de Física en la Universidad de California, se considera un punto de inflexión para la fotovoltaica orgánica. Heeger recibió el premio Nobel junto con Alan Mac Diarmid y Hideki Shirakawa por el descubrimiento y desarrrollo de los polímeros conductores. En julio de 2007, el ganador del premio Nobel presentó, junto con el coreano Kwanghee Lee una célula solar orgánica con un mayor grado de eficiencia energética. La célula solar doble consiste en dos capas que absorbe tanto ondas de corta como de larga frecuencia, absorbiendo así un espectro solar más amplio que el que pueden absorber las células convencionales, con lo que es posible aumentar la eficiencia.
Células solares a base de polímeros orgánicos
El término fotovoltaica orgánica hace referencia a las células solares que utilizan materiales semiconductores orgánicos, la mayor parte de ellos, teñidos. La célula de Grätzel, una célula electroquímica sensibilizada por colorante que lleva el nombre de su inventor, Michael Grätzel, de la Universidad Técnica de Lausana, Suiza, utiliza la molécula de la clorofila que las plantas utilizan para convertir el sol en energía química. Una variante de la célula orgánica son los polímeros conductores utilizados por Alan Heeger. El principio según el cual funcionan tanto las células orgánicas como las que usan polímeros se basa en la transferencia de electrones iniciada por la luz del sol, el denominado sistema donante - receptor.
Las capas fotoactivas de estas células normalmente consisten de un material que cede electrones y otro que acepta electrones. Para las células solares orgánicas, se utilizan colorantes del grupo denominado ftalocianinas como donantes, y moléculas de átomos de hidrocarburo (con fullerenos) como receptores.
En las células solares con polímeros, se utilizan polímeros compuestos como donantes y en algunos casos, también como receptores. A menudo se utilizan fullerenos como receptores de electrones. La estructura de una célula fotovoltaica de polímeros es similar a una orgánica, aunque su capa fotoactiva consiste en una combinación donante-receptor. La producción de la capa activa de una célula solar de polímeros es sencilla: primero los materiales donante y receptor se disuelven en un disolvente y luego se excitan presionándolos contra un sustrato adecuado. Después de que el disolvente se haya evaporado, se forma una película homogénea de aproximadamente 100 nanómetros. Esto es menos de la centésima parte del grosor de un pelo humano. Es decir, que estamos hablando de "placas" fotovoltaicas que consistirían en imprimir polímeros sobre una película de plástico, con lo cual los costes de fabricación serían mínimos. De hecho, es posible utilizar tecnologías de impresión ya existentes, que facilitarían la impresión a escala industrial.
Las células orgánicas se producen a través de procesos de evaporación térmica al vacío. Es necesario para ello calentar los materiales a varios cientos de grados celsius. El material así evaporado se deposita como capa sobre un substrato de material plástico o de cristal.
Ya en 2004, investigadores de Siemens consiguieron un paso clave en la eficiencia de las células solares orgánicas al alcanzar el 5%. Incluso en esos años, y con el nivel de desarrollo tecnológico que había, esperaban poder alcanzar un grado de eficiencia de aproximadamente el 7%. Esto ya era razón suficiente para que el premio Nobel de Química, Heeger, fundador de Konarka Technologies, colaborase con Siemens. Konarka compró el know-how de Siemens y se unió a programas de investigación dirigidos por el Dr Christoph Bradec y el Prof. Serdar Sariciftci, ambos renombrados pioneros en el campo de los polímeros conductores. Konarka se está concentrando en la fotovoltaica orgánica a través de la empresa Konarka Austria Forschung und Entwicklung GmbH (Linz).
En Alemania, or ejemplo, científicos de Oldenburg, Freiburg y Berlín están trabajando en la utilización de fotovoltaica orgánica. En la Universidad de Oldenburg, un equipo de investigadores dirigido por el físico Dr. Jürgen Parisi y el Dr. Vladimir Dyakonov está trabajando sobre este campo. Ambos apuntan hacia un aumento en la demanda y hacia la voluntad de cooperar con la industria. El Fraunhofer Institute también se está involucrando en el desarrollo del proceso de fabricación de células solares sensibilizadas por colorantes. Uno de los aspectos importantes es el sellado de los módulos. Durante los próximos años, sólo será posible utilizar células solares coloreadas con una eficiencia superior al 5% si se utilizan electrolitos líquidos o parcialmente solidificados. Esto requiere de materiales de sellado herméticos y de larga duracción que sean compatibles con los electrolitos.
Eficiencia y estabilidad de las células solares como reto principal
El Fraunhofer Institute está luchando contra los costes de fabricación, intentando elevar las eficiencias y aportar estabilidad a las células, que son precondiciones indispensables para poder lanzarlas al mercado comercial. Los investigadores de este centro ven como primeras aplicaciones potenciales de las células orgánicas su inclusión en los teléfonos móviles y otros aparatos electrónicos de poco consumo. Otras posibles aplicaciones son la alimentación de microsistemas y redes de sensoers que son autosuficientes en términos de energía. El objetivo a largo plazo de estos investigadores es asegurarse de que las células orgánicas aportan su granito de arena al suministro sostenible de electricidad.
El Instituto Hahn Meitner, de Berlín, también está llevando a cabo una investigación en colaboración con la Universidad Libre de Berlín. La eficiencia y la estabilidad son los principales puntos de atención de los científicos berlineses, y éstos son los prerequisitos indispensables para un lanzamiento comercial del producto. Es necesario rebajar costes de producción, aumentar la eficiencia hasta un mínimo de un 5% así como alargar la vida útil de las células.
Para un posterior desarrollo de la fotovoltaica orgánica, BASF y Bosch están cooperando con la empresa de Dresden Heliatek GmbH en proyectos de investigación. Heliatek se ha especializado en la fabricación de células solares con un proceso de fabricación role-to-role y ahora está trabajando en una tecnología particularmente eficiente que permitirá construir módulos fotovoltaicos sobre sustratos flexibles con costes más bajos de producción. BASF está investigando sobre materiales orgánicos semiconductores con un alto grado de estabilidad termica y fotoquímica. Según BASF, están a punto de lanzar un sistema muy innovador y ahora están determinando propiedades cruciales del producto final. Aquí BASF tiene una gran ventaja con su experiencia sobre el diseño en el campo de electrónica orgánica, así como sobre la síntesis y producción de compuestos orgánicos complejos.
Fuente: Solarserver.de
