Més enllà del silici: alternatives per a millorar el rendiment de les cel·les solar

Encara que la Terra rep només una milmillonésima part de la colossal producció d'energia del Sol, fins i tot eixa xicoteta fracció representa 120 000 bilions de watts. I, per a satisfer l'energia que es consumix en el planeta, tan sols necessitaríem recol·lectar menys del 0,02 %. Com un exemple entre l'oferta i demanda energètica actual, en només 6 hores, els deserts de tot el món reben més energia solar que la que consumim els humans en un any.

A més de ser una font inesgotable, l'energia solar presenta almenys un altre avantatge clau sobre altres renovables (biomassa, mareomotriu, geotèrmica, hidràulica i eòlica): la distribució global de la llum solar permet situar les instal·lacions de producció d'energia més prop del lloc de consum.

Desavantatges del silici

L'energia del Sol es pot captar mitjançant cel·les solars, però la majoria d'elles estan basades en silici, que són costoses i pesades. La seua producció requerix, doncs, un gran consum energètic, la qual cosa genera una alta contaminació ambiental.

D'altra banda, encara que les cel·les solars de silici han aconseguit eficiències de conversió d'energia superiors al 26 %, la millora addicional es limita a eficiències d'al voltant del 30 % a causa de l'anomenat límit de Shockley-Queisser Este límit marca l'eficiència teòrica màxima d'una cel·la solar de silici en el 32 %, a causa de pèrdues per recombinació radiativa en la cel·la.

Es calcula que per a captar l'energia que consumix la població mundial necessitaríem 51 000 milions de cel·les solars de silici, la qual cosa suposa unes 6 o 7 per habitant del planeta. Un número que podríem reduir si aconseguírem millorar la seua eficiència. Si a més fórem capaços de disminuir els costos de producció, seria més viable arribar a instal·lar el número necessari per a satisfer les necessitats energètiques de la humanitat.

Per a abordar estos problemes, s'estan investigant dos alternatives principals: les cel·les solars de perovskita i les cel·les solars orgàniques.

Cel·les solars de perovskita

En el primer cas, el material que transforma la llum en electricitat és un mineral descobert per Gustav Rose en 1839 en els monts Urals (Rússia). Els compostos de perovskita són relativament fàcils i barats de produir i tenen una gran capacitat d'absorbir la llum solar. Amb estes cel·les s'han aconseguit eficiències del 27 % quan només les conformen perovskitas i del 30 % combinades amb silici.

El principal problema que presenten és la seua escassa estabilitat. Pel fet que la perovskita reacciona amb oxigen i aigua, este material es degrada en un temps inferior a un any. L'altre inconvenient és l'existència de defectes en el seu cristall, els quals frenen la conducció elèctrica.

En l'actualitat, existixen nombrosos grups d'investigació i empreses buscant solucions que permeten en un futur no llunyà comercialitzar cel·les solars de perovskita. Una de les propostes consistix a afegir una capa de fullerenos en la superfície del material perquè millore la seua estabilitat enfront de l'aigua i, com a conseqüència, també la conducció elèctrica.

La revolució de les molècules orgàniques

D'altra banda, s'estan estudiant les cel·les solars orgàniques, una altra tecnologia prometedora que utilitza molècules orgàniques π-conjugades, és a dir, molècules amb enllaços simples i múltiples alternats (com, per exemple, H₂C=CH-CH=CH-CH=CH₂).

L'energia fotovoltaica orgànica oferix diversos avantatges: les cel·les solars són lleugeres, econòmiques de fabricar, flexibles, transparents i la seua síntesi té un baix impacte ambiental. No obstant això, el seu principal problema és la baixa eficiència que presenten, encara que s'han publicat eficiències de cel·les solars fabricades amb materials orgànics que arriben al 19 %.

Existixen empreses que ja fabriquen cel·les fotovoltaiques orgàniques i, segons la consultora índia Versha Vijay de Kings Research, s'estima que el mercat de cel·les solars orgàniques creixerà de 130,2 milions de dòlars en 2023 a 326,6 milions en 2031.

Les cel·les solars orgàniques poden estar compostes per materials dadors i acceptors d'electrons mesclats o per un sol material que continga un grup dador (D) i un grup acceptor (A) en la mateixa molècula (D-A). Els dos grups estan enllaçats per un enllaç covalent.

L'absorció d'un fotó de la llum solar produïx un estat de transferència de càrrega D⁺-A⁻ que pot evolucionar per a generar un excitón. Este donarà lloc a una separació de les càrregues positiva i negativa que viatgen feia l'ànode i el càtode tancant el circuit, amb el que s'aconseguix generar electricitat a partir de la llum.

Una de les línies d'investigació que se seguixen és la que involucra molècules orgàniques que presenten fissió de singlete. En estes molècules, per cada fotó absorbit es poden generar dos excitones que al seu torn generen dos pares electró-forat.

La principal diferència respecte a les cel·les orgàniques tradicionals és que estes poden generar com a màxim un electró per cada fotó, mentres que les cel·les orgàniques amb materials que tenen fissió de singlete poden generar dos electrons per cada fotó, amb el que es pot potencialment doblegar l'eficiència de la cel·la solar orgànica.

Si bé encara no s'han aconseguit resultats comercialitzables, s'està realitzant molta investigació en esta direcció. Esperem que en un període de cinc a deu anys puguem adquirir les revolucionàries cel·les solars orgàniques.

Miquel Solà Puig, Catedràtic de Química Física, Universitat de Girona

Este article va ser publicat originalment en The Conversation. Llija el original.