Captar el sol con espray

La situación climática actual, protagonizada por la amenaza permanente del cambio climático, se ha convertido en una constante presente en el día a día de las sociedades desarrolladas.

El cambio del modelo energético, basado en las energías fósiles (carbón, petróleo, gas natural y gas licuado del petróleo), hacia otro protagonizado por las renovables (fotovoltaica, eólica, etc.) hace que científicos e investigadores del todo el mundo traten de desarrollar tecnología capaz de aprovechar al máximo las oportunidades que estas últimas ofrecen, mientras los legisladores tratan de regular el salto de unas a otras.

En España, las energías renovables suponen el 13,9% de la energía primaria utilizada, según datos facilitados por APPA (Asociación de Empresas de Energía Renovable). El 86,1% restante corresponde al uso de combustibles fósiles (74%) y nucleares (12,4%). Según estas cifras, dentro del panorama eléctrico español, las energías renovables supusieron el 39,7% de la generación eléctrica. Si bien la eólica (19,2%) y la hidroeléctrica (14,1%), son las más utilizadas; para llevar hasta un tercer puesto bastante discreto la solar fotovoltaica (3%), seguida de la solar termoeléctrica (2%), así como la biomasa, biogás, RSU renovable y otras renovables (1,4%); el hecho de que la Región de Murcia cuente con 3000 horas de sol al año, la convierte en un lugar ideal para la instalación de placas solares.

En la actualidad existen diferentes tipos de tecnologías que permiten producir electricidad, a partir de energía fotovoltaica: la más conocida es la tecnología de Silicio. Pero además de esta, se pueden encontrar otras como las células solares orgánicas, unas células que tienen como principal ventaja su ligereza, bajo coste y flexibilidad para poder fabricarse y adaptarse.

Teniendo en cuenta todo esto, Rodolfo López, doctor en Energías Renovables y Eficiencia Energética por la Universidad Politécnica de Cartagena, considera que «toda investigación enfocada a encontrar y/o mejorar fuentes de energía limpias es un paso hacia el futuro y dejar de usar combustibles fósiles».

Y no solo lo piensa, sino que lo práctica. Así quedó patente en el desarrollo de su tesis doctoral: «Fabricación y caracterización de células solares orgánicas e híbridas nano estructuradas mediante técnicas de recubrimiento en spray», cuyo objetivo era conseguir fabricar estas células funcionales y duraderas, así como optimizar el proceso de fabricación para abaratar costes y tiempo.

El primer paso fue estudiar cómo se comportan y fabrican este tipo de células y sobre qué rangos se movían a la hora de empezar a trabajar. Con esa visión general de partida, eligieron unos parámetros iniciales para fabricar mediante recubrimiento en spray, lo que le llevó a un proceso de ensayo y error hasta conseguir optimizarlo al máximo.

«Durante el proyecto, se trabajó desde la fabricación de células solares hasta su caracterización. Principalmente la fabricación de células solares orgánicas mediante una técnica conocida como Spray Coating o recubrimiento en espray, así como la optimización de los parámetros de fabricación y caracterización de los dispositivos fabricados», explica López.

La técnica de recubrimiento en espray permite un fácil escalado del laboratorio a nivel industrial y una mayor reproducibilidad con respecto a otras técnicas, ya que básicamente consiste en la fabricación de los dispositivos fotovoltaicos 'pintando' las diferentes capas que lo forman. Para conseguir aplicarla se empleó una máquina de control numérico computerizado (CNC)– en particular una fresadora de tres ejes convencional– a la que se le cambió el cabezal por un aerógrafo, muy similar al que se utiliza para pintar maquetas. Según el investigador de la UPCT, «este aerógrafo tiene un depósito en el que se le introducen los materiales en disolución de los cuales están formadas las células solares. En concreto, estas células tienen una estructura tipo sándwich y se van depositando las capas, una a una, al aire libre, sin la necesidad de fabricarlas en atmosferas muy controladas como en una sala blanca o en cajas de guates en atmósfera de nitrógeno, lo que nos permite acercarnos más a un proceso de fabricación más escalable y sencillo».

Una vez fabricadas, estas células se caracterizan bajo un simulador solar calibrado (una tecnología que simula la irradiancia del sol), para medir los parámetros característicos de los dispositivos, tales como su eficiencia. Además, con el fin de estudiar su durabilidad y estabilidad se pueden dejar bajo el simulador solar durante largos periodos para estudiar y simular su funcionamiento a lo largo de su vida útil.

Como resultado, destaca Rodolfo López el haber alcanzado la capacidad de poder fabricar en serie varios dispositivos, «pasando de una manera de trabajar casi artesanal, de uno en uno, a poder fabricar tandas de hasta nueve sustratos, contando cada uno con cuatro células solares». Además –indica– «el tiempo de dicha fabricación se ve reducido casi a la mitad, con el consecuente ahorro de energía de los equipos que se utilizan».

De hecho, apunta a que lo realmente interesante es que «en solo una mañana se pueden fabricar más de una treintena de dispositivos, de una forma que en la tecnología convencional de silicio es imposible».

A pesar de los hitos conseguidos, el investigador asegura que no tiene previsto patentar el trabajo sino que se trata de una tesis pública y su mayor deseo es «que haya conseguido arrojar algo de luz y progresos en este campo, de cara, a que un futuro, esperemos que más a corto plazo que largo, se haga realidad la posibilidad de que podamos dejar de depender de tanto combustible fósil y contaminar tanto. Esperemos que llegue pronto el día que podamos subsistir únicamente con energías renovables. En este caso concreto, la energía del sol, que tenemos tan abundante es en nuestra Región».

Rodolfo Lopez ha contado con la financiación de la Fundación Séneca, en el marco del programa de grupos de Excelencia en el que se incluye el grupo 'Quantum Energy' que dirige Antonio Urbina en la Universidad Politécnica de Cartagena y otro proyecto, del que es responsable, incluido en el Programa Regional de Fomento de la Investigación. Además, ha dispuesto de fondos procedentes del Gobierno Central a través de la Agencia Estatal de Investigación, incluyendo fondos FEDER y también del Programa interno movilidad de doctorandos de la UPCT bajo el marco del European Research Council under SEEWHI, que dotó los fondos para realizar su estancia en Dinamarca.

Asimismo, el investigador señala que para llegar hasta aquí, la tesis ha contado con la colaboración de diversos grupos entre los que se encuentra el del profesor Jaime Colchero, del Departamento del Física Aplicada de la Universidad de Murcia, así como el del profesor Wolfgang Maser, del Instituto de Carboquimica de Zaragoza, perteneciente al CSIC. Por otro lado, han participado el investigador Juan Rubio, de la línea española de radiación sincrotrón SpLine de la Fuente Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF) en Grenoble (Francia), y el Departamento de Energía de la Denmarks Technique University en Dinamarca, cuyo investigador a cargo es el profesor Jens W. Andreasen.

Actualmente se sigue trabajando, tratando de mejorar y optimizar el proceso de fabricación de algunas de las capas de los dispositivos, introduciendo nuevos materiales y sustituyendo algunos ellos que estaban presentes en la hipótesis de partida del trabajo de López, con el objetivo de obtener mejores eficiencias y vidas útiles de las células y se vuelvan más competitivas.

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