Cuando se habla sobre la generación de energía eléctrica, probablemente la primera idea que nos llega a la cabeza es la de enormes presas hidráulicas con grandes caídas de agua o incluso grandes y humeantes centrales nucleares. Sin embargo, lo que la mayoría desconoce es que la manera más utilizada para generar energía eléctrica en México es a partir de procesos que usan gas, seguida del uso de otros combustibles fósiles. La generación hidroeléctrica se posiciona en el tercer lugar con una participación del 10.1 % de la producción total (Statista, 2023). Desde un punto de vista de cuidado del ambiente, el empleo de gas y de derivados fósiles es una mala solución, ya que ambos contribuyen al calentamiento global. Una manera de coadyuvar a la solución de esta problemática es emplear las llamadas fuentes de energía renovables, como son la generación eólica, la geotérmica y la solar. En esta última categoría se encuentran clasificadas las celdas solares.

 

LAS CELDAS SOLARES CONVENCIONALES Y SU FUNCIONAMIENTO

 

De manera general, una celda solar (o celda fotovoltaica) es un dispositivo que convierte la radiación solar en energía eléctrica. Sin embargo, para entender su funcionamiento, es necesaria una explicación un poco más detallada.

     Los rayos o luz solar nos llegan en forma de radiación electromagnética; las partículas portadoras de esa energía son los fotones. Sin entrar a la física más pura, podemos imaginar a los fotones (el cuanto de luz) como el paquete más pequeño de radiación electromagnética. Ahora bien, cuando una celda solar se coloca bajo la incidencia de rayos solares, los fotones pueden reflejarse, atravesar, o absorberse en ella. El proceso más importante en una celda solar es la absorción de los fotones, y esto se logra utilizando un material semiconductor. Un semiconductor es un material que conduce parcialmente la corriente eléctrica; en esta tarea no es tan bueno como los conductores ni tan malo como los aislantes. Cuando el semiconductor en la celda solar absorbe un fotón, este es capaz de “arrancar” un electrón del material semiconductor, lo que deja un hueco en un átomo, hueco que posteriormente será cubierto por otro electrón arrancado por otro fotón. En general, este proceso es continuo y eso propicia el flujo de los electrones, mismos que pueden ser canalizados usando un material conductor para generar un circuito en que existe una diferencia de potencial y un flujo de corriente.

 

TIPOS DE CELDAS SOLARES

 

Las celdas solares pueden ser clasificadas por generaciones (Dambhare et al., 2021), es decir, de acuerdo con su invención y desarrollo a lo largo de la historia. En la primera generación se empleó silicio cristalino en forma de obleas; debido a esto, el proceso de fabricación resultó demasiado costoso, aunque ello no limitó su uso: a la fecha, a nivel mundial, son las más empleadas.

     En la segunda generación se empezaron a probar y a utilizar otros materiales semiconductores como seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS); también telururo de cadmio (CdTe), arseniuro de galio (GaAs) y silicio amorfo (a-Si:H). La principal desventaja de estas celdas solares es su baja eficiencia, alrededor del 20 %. La eficiencia en el campo de las celdas solares es la relación entre la energía que entra en forma de fotones y la energía que se produce.

     La tercera generación es la que mejores resultados ha tenido en cuanto a la eficiencia, la cual puede alcanzar valores de hasta el 41 %. Esto es posible al utilizar diferentes formas de captar la mayor cantidad de fotones, como son el uso de una doble unión entre los materiales semiconductores, el empleo de tintes que consiguen que las celdas solares puedan funcionar con luz menos intensa, lo que las hace igual de eficientes en el transcurso del día. En esta tercera generación se encuentran las celdas solares orgánicas. Estas celdas, tal y como se puede inferir, están formadas por semiconductores orgánicos; es decir, de materiales a base de carbono.

 

LOS SEMICONDUCTORES ORGÁNICOS

 

Antes de profundizar en las celdas solares orgánicas, veamos qué son los semiconductores orgánicos.

     Los semiconductores orgánicos están conformados principalmente por átomos de carbono. Una característica importante de estos materiales es que en su estructura química presentan una alternancia entre enlaces dobles y sencillos llamada conjugación; esta característica es la que permite a tales materiales el poder conducir la electricidad.

     Los semiconductores orgánicos se clasifican en polímeros y en compuestos de bajo peso molecular. Un polímero es un material conformado por una cadena larga de unidades químicas llamadas monómeros, las cuales están unidas entre sí. Por otra parte, los compuestos de bajo peso molecular son moléculas relativamente pequeñas, formadas por varios átomos.

     Ahora bien, al comparar los semiconductores orgánicos con los inorgánicos, los primeros son relativamente fáciles de sintetizar, presentan flexibilidad en términos mecánicos (es decir, se pueden doblar), son solubles en diferentes disolventes, además de que sus propiedades ópticas y eléctricas pueden cambiarse de manera relativamente fácil al modificar (agregando o quitando grupos funcionales) su estructura química. Las propiedades de estos materiales los hacen adecuados para ser usados en los procesos de fabricación en serie, ya que permiten obtener grandes áreas recubiertas, incluso pueden ser depositados sobre sustratos flexibles.

 

CELDAS SOLARES ORGÁNICAS

 

En su estructura más simple, las celdas solares orgánicas están conformadas por películas delgadas de diferentes materiales depositadas entre dos electrodos: un ánodo y un cátodo. A continuación describiremos sus partes.El sustrato sobre el cual se depositan las películas subsecuentes debe ser transparente (para facilitar la absorción de los fotones). Generalmente, se utiliza vidrio, pero si se requiere de un dispositivo flexible, se puede usar el tereftalato de polietileno (PET). El ánodo suele consistir en una película de óxido de indio y estaño (ITO) depositada sobre el sustrato. Una capa transportadora de huecos (HTL, por sus siglas en inglés) tiene como función mejorar la conducción de los huecos que se generan al quitar un electrón al átomo. El material más usado como HTL es el poli (3,4-etilendioxitiofeno)-poli(estireno sulfonato), el cual se deposita en forma de una película transparente. La capa fotoactiva consiste en una película de semiconductor orgánico, ya sea polímero, compuesto de bajo peso molecular o una mezcla de ambos.El cátodo suele ser fabricado con una película de unos 50 nanómetros de algún metal como aluminio, plata u oro.

     En general, cualquier celda solar que emplee un material semiconductor orgánico de capa fotoactiva se puede considerar como orgánica. En general, los semiconductores orgánicos poseen diferentes propiedades mecánicas, ópticas y eléctricas que abren nuevos horizontes en la fabricación de celdas solares. Debido a esto, las celdas solares orgánicas podrían ser utilizadas en nichos muy específicos donde, debido a ciertas limitaciones, las celdas convencionales de silicio se verían comprometidas. A nivel mundial, los científicos trabajan en el desarrollo de celdas solares que puedan ser utilizadas en las ventanas (Pascual et al., 2020) y los tejados (Lu et al., 2020).

 

CONCLUSIÓN

 

La investigación y el desarrollo en el campo de las celdas solares orgánicas ha permitido incrementar su eficiencia de manera considerable en los últimos años. Esta es una señal de lo promisorio que resulta esta fuente de generación de energía que podría sustituir en un futuro cercano a los combustibles fósiles. Si bien hoy día se están llevando a cabo varias investigaciones a nivel mundial en el área de las celdas solares orgánicas, aún pasarán varios años antes de que esta tecnología resulte comercialmente viable y por fin se vea el paso de los prototipos de laboratorio a toda una industria de consumo. Probablemente, en un futuro, se usen las celdas solares orgánicas en los techos de los complejos residenciales, en los parabrisas de los autos y del transporte público, e incluso, en las ventanas de los hogares, todo esto para generar energía mientras vivimos el día a día colaborando a la tan anhelada sostenibilidad energética.

 

REFERENCIAS

 

Dambhare MV, Butey B and Moharil SV (2021). Solar photovoltaic technology: A review of different types of solar cells and its future trends. Journal of Physics: Conference Series 1913(1):012053).

Lu L and Ya’acob ME (2020). Application of organic photovoltaic materials (OPV) as greenhouse roof structures: A review. Journal of Agricultural and Food Engineering 3:0019.

Statista (2023). Power production breakdown in Mexico 2022, by Source. Recuperado de https://www.statista.com/statistics/1237496/mexico-distribution-of-electricity-production-by-source/.

Pascual-San-José E, Sadoughi G, Lucera L et al. (2020). Towards photovoltaic windows: scalable fabrication of semitransparent modules based on non-fullerene acceptors via laser-patterning. Journal of Materials Chemistry A 8(19):9882-9895.