Revolución energética: cómo los paneles solares se hacen más accesibles

Los paneles solares están en el centro de atención de los científicos de muchos países desde hace ya varias décadas. Según los expertos, la humanidad está al borde de una revolución en el ámbito de energía solar.

Además de la tecnología tradicional de fabricación de paneles de silicio, hoy los módulos fotovoltaicos se fabrican también de las perovskitas. Un corresponsal de Sputnik habló con un experto de fama mundial en energía solar fotovoltaica, el profesor titular de la Universidad Ben-Gurión del Néguev (Israel) Yevgueni Kats, sobre el funcionamiento de los paneles solares en un futuro próximo y su influencia en la humanidad.

Se habla mucho sobre las perovskitas en los últimos años. En 2016, ya se pronosticó que el año 2017 podría ser crítico para las células solares de perovskita muy eficaces. ¿Se produjo la revolución? ¿Por qué se presta tanta atención a las perovskitas?

Somos testigos si no de la revolución al menos de una gran evolución en el desarrollo de la tecnología de fabricación de celdas solares muy eficaces con el uso de una nueva familia de semiconductores orgánicos e inorgánicos, las llamadas perovskitas de metal haluro (metalhalideperovskitas).

Si en 2007, la eficacia energética de tales células fue menos de un 3%, hoy este indicador más importante para la energía solar supera al 24%. Es muy alto, próximo a la eficacia récord de los paneles fotovoltaicos de silicio cristalino que se usan hoy con la mayor frecuencia.

Todos entienden que las celdas de perovskita serán muy baratas, porque casi todas las capas activas en estos módulos de película fina pueden imprimirse de soluciones en una impresora.

Mientras, el interés principal hacia esta nueva tecnología no se debe a esto. Los paneles fotovoltaicos de silicio lideran en el actual mercado industrial. Su eficacia energética alcanzó al límite teórico y no está claro adónde avanzar.La aparición de celdas de perovskita cambió esta situación: se emprenden intentos de crear el llamado módulo solar en tándem que combina dos materiales -la perovskita para la parte superior (en relación con la luz solar) y el silicio para la parte inferior-.

Alegra que el uso del módulo de perovskita barato casi no incremente el coste de la celda de silicio, mientras que su eficacia crezca drásticamente. Si hoy en día la eficacia de los módulos de silicio no supera un 26%, la eficacia de las células de perovskita y silicio en tándem ya asciende a un 28%. Es decir, hemos pasado una barrera psicológica y podemos hablar en serio sobre la posibilidad de incrementar la eficacia de los módulos en tándem hasta un 30 o 35%.

Cuando esto suceda, se producirá la revolución. Esto explica el interés. Por eso centenas o quizás miles de laboratorios en todo el mundo están trabajando en esto, se invierte mucho dinero en las investigaciones y la fabricación de diseños industriales y semindustriales.

¿Qué frena la revolución de perovskitas?

Me parece que el defecto principal de los módulos de perovskita es su degradación rápida bajo los rayos del sol.

La vida útil de los paneles solares de silicio es de 25 años hoy y la de las celdas de perovskita es menos de un año. Es el defecto principal que frena el uso industrial de esta tecnología.

Intentamos incrementar la llamada estabilidad operacional de estos módulos. Nuestra tarea es fabricar los elementos que combinen una alta eficacia con una larga vida útil. Para conseguirlo es necesario entender los mecanismos físicos y químicos de la degradación.

¿Existen paneles solares fabricados con el uso de otras tecnologías, además del silicio y las perovskitas?

Al nivel laboratorio, hay muchas tecnologías que se usan varios materiales semiconductores tanto orgánicos como inorgánicos, así como varios tipos de arquitectura de los módulos. Durante mucho tiempo, el desarrollo y hasta el uso industrial de muchas tecnologías se llevaron a cabo de forma simultánea. Mientras, los paneles solares de silicio lideran hoy en el ámbito de fabricación industrial de la energía eléctrica.

¿Qué le ofrecerá a la gente el uso de la tecnología de fabricación de los módulos solares en tándem? ¿Quizás, estos paneles sean más baratos o ecológicos?

La energía eléctrica realmente será más barata. Desde el punto de vista ecológico, la situación no es tan simple. La perovskita contiene el plomo que no es el elemento más ecológico de la tabla periódica. Por eso ahora se emprenden intentos de sustituir el plomo en la estructura de la perovskita. Mientras, hasta en la actual tecnología de fabricación de perovskita de película fina, el contenido del plomo es menor que en los paneles de silicio en que el plomo se usa en los procesos de soldadura. Me parece, lo más importante es asimismo la estabilidad de elementos.

Se estudia y se intenta usar las perovskitas en muchos países. ¿Puede Rusia participar en esta carrera al mismo nivel que los demás? ¿Qué papel podría desempeñar en este ámbito la Universidad Nacional de Ciencia y Tecnología de Rusia MISIS (NUST MISIS)?

En un momento, dos países lideraron en la tecnología de fabricación de paneles solares fotovoltaicos: EEUU y la URSS. Esto se debía a la necesidad de abastecer las naves espaciales de la energía. En 1958, pasado un año tras el lanzamiento del primer satélite soviético (y cuatro años después de la primera presentación por los estadounidenses de la célula solar de silicio), la URSS y EEUU lanzaron al espacio satélites con paneles solares (Sputnik-3 y Vanguard I, respectivamente).

En la URSS se creó en plazos récord la industria fotovoltaica. El profesor titular que dirigió estas investigaciones fue Arcadi Landsman. Creo que sería justo citar hoy su nombre y el nombre del Premio Nobel, Zhorés Alfiórov, en cuyo laboratorio se desarrollaron las heterotransiciones y paneles solares multitransicionales a partir de arseniuro de helio. Después de la Perestroika, la ciencia académica y aplicada, así como la industria con el uso intensivo de tecnología en Rusia sufrieron (y posiblemente siguen sufriendo) una crisis seria.

Los jóvenes no podían sustentar a su familia, debían cambiar de profesión o irse del país. La ciencia actual es una comunidad internacional. Es internacional intrínsecamente. Es imposible limitar el flujo de ideas ni personas de un país al otro. Cualesquiera medidas tomadas en esta dirección serán dañinas para la ciencia. Pero es posible y es importante crear las condiciones para que los científicos quisieran regresar a Rusia. Veo los cambios positivos en esta dirección.

Ante todo, se trata del sistema de megasubvenciones que permite atraer a los mejores científicos extranjeros para crear los laboratorios avanzados en Rusia. Por ejemplo, la NUST MISIS invitó a uno de los líderes en el ámbito de investigaciones sobre las perovskitasdel nivel más alto, profesor titular Aldo Di Carlo. Su tarea es crear aquí dentro de tres años un laboratorio para la investigación y la fabricación de paneles solares de perovskita.

Esto me agrada especialmente, porque me gradué en 1982 en la MISIS, donde empecé mis investigaciones fotovoltaicas bajo la dirección del profesor titular, Semión Gorélik. Otro participante exitoso en el sistema de megasubvenciones es Scoltech (Instituto de Ciencia y Tecnología de Skolkovo) donde trabaja el grupo del líder incondicional de la ciencia rusa de perovskitas, mi colega y coautor desde hace ya muchos años, profesor titular Pável Troshin. Me parece que las capacidades principales de Rusia están en los cerebros, el nivel de intelecto, y, ante todo, el intelecto de estudiantes y científicos jóvenes. La tarea consiste en mantener estas capacidades. No se logrará crear laboratorios ni las nuevas tecnologías tampoco sin esto.

¿En qué medida son universales las perovskitas? ¿Es posible usar las mismas perovskitas en la iluminación, láseres, pantallas?

El término perovskita proviene del nombre del mineral СaTiO3, Hoy denominados perovskitas a muchos materiales con la rejilla cristalina similar a la estructura de este mineral. Por eso son universales y se usan en varias áreas. Es lo mismo que preguntar dónde se usan metales, por ejemplo. Mientras, a partir de las perovskitas de metal haluro que se usan en paneles solares se crearon otros equipos, por ejemplo, los diodos emisores de luz, láseres, sensores de tipos distintos.

Muchos países donde no luce el sol con frecuencia creen que los paneles solares no serán eficaces en estas condiciones. ¿Modificará la situación el uso de las tecnologías de perovskita?

En los países del norte, la tecnología que necesita la llamada luz solar directa funcionará mal, porque su absorción y su dispersión en las nubes reduce drásticamente su intensidad. Existe también la luz dispersa. Los paneles solares funcionarán mejor si hay mucha luz, pero si hay poca luz funcionarán en todo caso. Hoy en día, el coste de los paneles solares se redujo tanto que su uso será eficaz en todos los países y si la idea con perovskitas llega a buen puerto, su eficacia se incrementará y esto será aún más rentable. La entrevista se ofreció en el marco de la XX Conferencia Internacional sobre los Materiales Conductores de la Luz Física de Estados Relacionados Luz-Materia en Nanoestructuras (PLMCN-2019) celebrada en la NUST MISIS.