Celdas solares orgánicas, alternativa energética

celda solar organica

Por: José Luis Maldonado Rivera – Centro de Investigaciones en Óptica A.C, Ciudad de Mexico.
La reducción de las reservas de los combustibles fósiles (petróleo particularmente) muestra la necesidad urgente de contar con otras fuentes alternas de energía renovables, limpias y económicas tales como la eólica (la producida por el viento), la hidroeléctrica y la solar.

Por esto, buscar estas fuentes alternas es uno de los más importantes retos que actualmente la humanidad confronta. De esta manera, la energía solar está siendo empleada en varias formas, pero el método más usual son las celdas basadas en el silicio donde se transforma directa la luz del sol en electricidad a través del efecto fotovoltaico, donde se absorbe luz y se genera electricidad, tiene ventajas con respecto a otros mecanismos.

No obstante, la tecnología fotovoltaica tradicional basada en semiconductores inorgánicos, particularmente en el silicio y su familia de elementos químicos, requiere condiciones de fabricación muy especializadas que aún implican un alto costo y no es rentable para determinadas aplicaciones, por lo que hasta ahora ha restringido su uso masivo.

Desde el descubrimiento de los semiconductores orgánicos, materiales plásticos que pueden conducir electricidad bajo ciertas condiciones y/o emitir o absorber luz, estos compuestos contienen en su estructura átomos de carbono, ha habido un enorme interés tecnológico en ellos. Los materiales orgánicos presentan diversas propiedades mecánicas, eléctricas y ópticas que los hacen sumamente atractivos para una gran variedad de dispositivos. Entre otros, ha existido un notable esfuerzo para emular el comportamiento de dispositivos basados en materiales inorgánicos como son los transistores, los diodos emisores de luz (LEDs) y dispositivos fotónicos, pero fue sólo hasta años recientes que el progreso logrado en la investigación básica y aplicada ha permitido considerar a los materiales orgánicos para ser usados como una alternativa viable en aplicaciones opto-electrónicas. En particular, en los últimos 20 años se han dedicado grandes esfuerzos para desarrollar diodos emisores de luz orgánicos (OLEDs – OLED), los cuales tienen aplicaciones en pantallas (displays), señalizadores e incluso en iluminación.

La maduración tecnológica de los OLEDs también ha impulsado a otras tecnologías basadas en materiales orgánicos, particularmente, en los últimos años ha existido un gran interés de la comunidad científica para desarrollar tecnología fotovoltaica orgánica (OPV por sus siglas en inglés) como fuente de energía renovable pues ésta combina bajo costo y fácil fabricación. En los OLEDs se aplica electricidad y se genera luz, en las celdas OPVs, se absorbe luz y se genera electricidad,

Entre las ventajas de las celdas OPVs se incluyen: condiciones de manufactura menos especializadas en comparación con su contraparte inorgánica, así como los bien conocidos métodos de deposición de películas delgadas por la industria plástica posibilitando sus aplicaciones a una escala mayor de una forma más simple. Actualmente, la eficiencia de conversión eléctrica de la tecnología orgánica no se compara con la eficiencia de dispositivos inorgánicos (mayores al 20 %).

No obstante, el rápido crecimiento de la eficiencia de conversión lograda en los últimos años (hasta 6.1 % en 2009), sugiere que la investigación orientada a incrementar el funcionamiento así como la vida útil de la celdas OPVs permitirá competir con la tecnología inorgánica convencional en un futuro cercano.

Para que las celdas OPVs tengan realmente un impacto comercial profundo es necesario lograr dispositivos con valores de eficiencia cercanos al 10 %. Las investigaciones en este campo se han incrementado considerablemente en los últimos años y los laboratorios involucrados están conjuntando todos sus esfuerzos y habilidades en la búsqueda de novedosos materiales orgánicos y nano-tecnologías para las aplicaciones fotovoltaicas.

En general, se puede mencionar que en el desarrollo de celdas OPVs eficientes, la estrategia seguida por la comunidad científica se ha centrado en tres direcciones: 1) desarrollo de nuevos materiales orgánicos capaces de absorber la mayor cantidad de luz solar, principalmente en la región visible y cercano infrarrojo (calor), fotogenerando cargas eléctricas y posibilitando el transporte interno de las mismas, 2) aumento de la eficiencia combinando diferentes materiales con novedosas arquitecturas e ingenierías de las celdas y métodos de fabricación y, 3) comprensión fundamental de los fenómenos físico-químicos involucrados y el funcionamiento global de las celdas OPVs; todo esto, es un área multidisciplinaria del conocimiento humano.

Lo anterior nos ilustra la importancia de la investigación y desarrollo de estos dispositivos fotovoltaicos para energía renovable en un futuro próximo. Actualmente, ya hay algunas compañías de muy reciente creación que están desarrollando productos fotovoltaicos orgánicos para dispositivos eléctricos como cargadores de celular, pequeñas lámparas, etc., por ejemplo, las compañías Konarka (www.konarka.com) y SOLARMER (www.solarmer.com)

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