Els nous materials en investigació permetran fabricar cèl·lules fotovoltaiques més econòmiques i que es podran integrar en construccions, vehicles o fins i tot en la roba
El sol banya la Terra cada dia amb enormes quantitats d’energia, una energia que no s’esgotarà mentre viva la nostra estrella. Una petita part d’aquesta energia alimenta la vida al nostre planeta, però la immensa majoria torna a l’espai, desaprofitada. No obstant això, les persones hem donat una manera de collir els raigs del sol i així generar electricitat, encara que a partir de tan sols una petitíssima fracció de l’energia que diàriament ens regala la nostra estrella.
Com canviaria la societat si sabéssim aprofitar-nos millor del sol? “L’energia solar és molt democràtica”, explica en entrevista telefònica Emilio Palomares, investigador de l’Institut Català d’Investigació Química (ICIQ) a Tarragona. Encara que a alguns llocs arriba més llum que a altres, en gran part de la Terra el sol està a l’abast de totes les persones. Si es pogués utilitzar millor la seva energia, l’economia canviaria radicalment: la societat ja no dependria d’unes fonts energètiques finites i concentrades en les mans d’uns pocs. També es podria reduir l’emissió de gasos d’efecte hivernacle, i per tant mitigar el canvi climàtic.
El problema, assenyala Palomares, és que les tecnologies actuals per captar l’energia del sol són molt poc eficients: els panells solars comercials típics, fets de silici, només són capaços de transformar en electricitat menys d’un quart de l’energia que els arriba. La resta es desaprofita. I per generar suficient energia fan falta enormes quantitats de silici purificat, que no és precisament econòmic, informa Edgardo Saucedo, investigador de l’Institut de Recerca en Energia de Catalunya (IREC) a Barcelona. Instal·lar panells solars en una teulada pot costar diversos milers d’euros; a aquests preus, els combustibles fòssils segueixen sent més barats.
Per convertir l’energia solar en una font competitiva i realment a l’abast de tots, els científics se les estan enginyant per trobar alternatives al silici: materials fotovoltaics dissenyats des de zero per ser altament eficients captant els raigs del sol. La majoria d’esforços estan centrats en les anomenades tecnologies de pel·lícula fina, cel·les solars que mesuren des nanòmetres a uns pocs micròmetres (entre un milió i mil vegades més fines que un mil·límetre). La idea és que, en ser tan primes, la quantitat de material utilitzat sigui tan ínfima que el seu cost sigui molt barat.
D’aquestes noves tecnologies, les que més esperances han despertat són les anomenades perovskita. “Són un material híbrid, format per plom, iode i una molècula orgànica”, explica Emilio Palomares. Les seves propietats fotovoltaiques es van descobrir el 2012 i, des de llavors, en una cursa frenètica de menys de sis anys a la qual s’han sumat centenars de científics a tot el món, pràcticament han aconseguit igualar el silici en eficiència, amb un rècord del 22% . “I en menys de cinc anys més ho superaran”, afirma Palomares, qui dirigeix un grup de recerca amb l’objectiu de millorar l’eficiència de les perovskita.
Els materials i el procés de fabricació d’aquest tipus de cel·les són molt econòmics, però presenten un greu inconvenient: les perovskita són solubles en aigua. I contenen plom, que és altament tòxic. Si s’utilitzessin en panells solars en el seu punt de desenvolupament actual, “podrien causar un enorme desastre mediambiental”, declara Palomares. “S’està investigant per substituir el plom per un altre element”, explica Jordi Martorell, investigador de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) a Castelldefels, expert en cel·les solars orgàniques i de perovskita, “encara que de moment no hi ha hagut èxit”. També tenen un altre problema: són molt poc estables i es degraden al poc temps de començar a funcionar, de manera que encara queda un llarg camí perquè esdevinguin una realitat en el mercat de la fotovoltaica.
Més segures i estables, si bé menys eficients de moment, són les denominades kesteritas. Són un material totalment inorgànic, fet d’elements molt abundants en l’escorça terrestre (contenen coure, zinc estany i sofre o seleni), econòmics i sostenibles d’extreure, assenyala Alejandro Pérez, científic de l’IREC que lidera un grup que investiga aquesta tecnologia. Són una alternativa al CIGS, una altra tecnologia de pel·lícula prima que ja està disponible a nivell comercial, però que “conté metalls molt escassos i preuats (indi i gal·li, que s’usen per fabricar pantalles planes), de manera que no es pot fabricar en massa “, informa Edgardo Saucedo, que treballa juntament amb Alejandro Pérez. Mentre que el CIGS té una eficiència rècord del voltant del 22%, les kesteritas, molt més recents, encara estan en poc més del 12%, segons dades del National Renewable Energy Laboratory (NREL) dels Estats Units.
No obstant això, encara que no arribin a l’eficiència del silici convencional, el rècord d’eficiència porta dècades estancat en un 25%, les tecnologies de pel·lícula prima ofereixen altres avantatges. Les cel·les són tan fines que pesen molt poc i més són flexibles. “Això permetria integrar-les en construccions, per exemple, en forma de teules solars. També en substrats tèxtils “, afirma Pérez. “La nostra fantasia és una energia fotovoltaica ubiqua, que estigui a tot arreu”. L’investigador imagina un futur en el qual hi hagi motxilles o fins i tot jaquetes capaços de recarregar la bateria d’un mòbil després d’un passeig sota el sol.
La nostra fantasia és una energia fotovoltaica ubiqua, que estigui a tot arreu”
Investigador de l’IREC
Edificis i cotxes capaços de generar tota l’energia que consumeixen, d’altra banda, són l’objectiu de Jordi Martorell. I per aconseguir-ho, el que considera la millor opció són les cel·les fetes de materials orgànics, polímers que, encara que no siguin especialment eficients transformant l’energia del sol -el seu rècord està en un 11% -, ofereixen altres avantatges respecte al silici. “Són flexibles, lleugeres i el procés de fabricació és molt més econòmic”, detalla l’investigador. I, a més, són transparents, el que les fa ideals per a les finestres.
“En totes les ciutats hi ha més superfície vertical que horitzontal, especialment en els gratacels”, argumenta. Si les finestres dels edificis més alts es convertissin en panells fotovoltaics, es podria generar deu vegades més energia que si només s’instal·lessin cel·les solars a la teulada, pronostica Martorell. “Però òbviament la gent vol finestres transparents, i no de colors”, una cosa que només poden proporcionar les cel·les orgàniques. Una altra aplicació serien els vehicles. “Amb finestres fotovoltaiques i panells solars al sostre, els cotxes elèctrics podrien ser totalment autònoms, fins i tot amb l’eficiència actual de les cel·les orgàniques”, afirma Jordi Martorell
Però tot i recobrint totes les superfícies possibles de les cel·les fotovoltaiques fins ara esmentades no s’estaria aprofitant tota l’energia que arriba del sol. La majoria ho fa en forma de llum infraroja, fora de l’espectre visible, i escapa de les capacitats de les perovskita, el CIGS, les kesteritas i les cel·les orgàniques convencionals. “Només si aprofitem l’infraroig serem capaços de crear cel·les solars de major rendiment”, afirma Gerasimos Konstantatos, investigador de l’ICFO. I per a tal fi, el grup que dirigeix Konstantatos investiga els anomenats punts quàntics, vidres d’uns pocs nanòmetres formats només per entre cent i mil àtoms. Són molt fàcils de produir, explica, i es pot controlar la seva grandària amb gran precisió. Variant es pot escollir que absorbeixin la llum a diferents longituds d’ona, incloent l’infraroig proper. El rècord actual d’eficiència d’aquest nou material està al voltant del 11%.
Una font energètica inesgotable, però sense aprofitar
“L’energia fotovoltaica comença a ser competitiva a nivell de costos, especialment en el cinturó solar, que comprèn els països amb més hores de sol, com Espanya”, explica Alejandro Pérez. A tot el món, només un 1,3% de l’energia que es consumeix és fotovoltaica, segons l’informe Photovoltaics Report, publicat el 2017 per l’Institut Fraunhofer per a Sistemes d’Energia Solar ISE de Freiburg (Alemanya). A Alemanya, país capdavanter en aquesta tecnologia, juntament amb Itàlia i Grècia, pràcticament un 7% de l’energia consumida és d’origen fotovoltaic. En canvi, a Espanya la proporció és de tan sols un 3%, segons un informe de 2016 de la Unió Espanyola Fotovoltaica (UNEF). Segons denuncien investigadors com Emilio Palomares i Edgardo Saucedo, això es deu a impediments polítics i legals com el criticat impost al sol. “Si els alemanys ho poden fer, i gairebé no tenen sol, nosaltres també”, reivindica Saucedo. “És qüestió de voluntat política”, postil·la. “Lamentablement, l’interès del Govern per la fotovoltaica és nul”, lamenta Palomares.
Els investigadors aposten per l’energia solar ja no només pels beneficis socials i mediambientals. “Amb el transport de l’energia de les grans centrals fins a les llars es produeixen pèrdues”, assenyala Edgardo Saucedo. “Si s’instal·lessin panells fotovoltaics a casa o es generés per barris seria un model més eficient, que suposaria un estalvi per als consumidors”, conclou.
“En el futur, si es vol reduir l’ús de combustibles fòssils, haurem de construir un model que combini diferents fonts d’energia”, explica Alejandro Pérez. “L’energia fotovoltaica té el potencial per ser una de les principals”, assegura.
font:lavanguardia
