Las células solares orgánicas ultrafinas podrían convertir los edificios en generadores de energía

En noviembre de 2021, mientras la empresa de servicios públicos municipal de Marburg, Alemania, realizaba el mantenimiento programado en una instalación de almacenamiento de agua caliente, los ingenieros pegaron 18 paneles solares en el exterior del tanque cilíndrico principal de 10 metros de altura. No es el hogar típico de los paneles solares, la mayoría de los cuales son rectángulos planos y rígidos de silicio y vidrio colocados en los techos o en los parques solares. Los paneles de las instalaciones de Marburg, por el contrario, son películas orgánicas ultrafinas fabricadas por Heliatek, una empresa solar alemana. En los últimos años, Heliatek ha montado sus paneles flexibles en los costados de torres de oficinas, techos curvos de paradas de autobús e incluso el eje cilíndrico de un molino de viento de 80 metros de altura. El objetivo: ampliar el alcance de la energía solar más allá de los terrenos llanos. "Hay un mercado enorme donde la fotovoltaica clásica no funciona", dice Jan Birnstock, director técnico de Heliatek.

Los fotovoltaicos orgánicos (OPV) como los de Heliatek son más de 10 veces más livianos que los paneles de silicio y, en algunos casos, su producción cuesta la mitad. Algunos incluso son transparentes, lo que hace que los arquitectos visualicen paneles solares no solo en los techos, sino también incorporados en las fachadas, ventanas e incluso espacios interiores de los edificios. "Queremos convertir cada edificio en un edificio generador de electricidad", dice Birnstock.

Los paneles de Heliatek se encuentran entre los pocos OPV en uso práctico y convierten aproximadamente el 9% de la energía de la luz solar en electricidad. Pero en los últimos años, investigadores de todo el mundo han ideado nuevos materiales y diseños que, en pequeños prototipos hechos en laboratorio, han alcanzado eficiencias de casi el 20 %, acercándose al silicio y a las células solares inorgánicas de película delgada alternativas, como las que se fabrican a partir de un mezcla de cobre, indio, galio y selenio (CIGS). A diferencia de los cristales de silicio y los CIGS, donde los investigadores se limitan principalmente a las pocas opciones químicas que les brinda la naturaleza, las OPV les permiten modificar enlaces, reorganizar átomos y mezclar elementos de toda la tabla periódica. Esos cambios representan perillas que los químicos pueden ajustar para mejorar la capacidad de sus materiales para absorber la luz solar, conducir cargas y resistir la degradación. Las OPV aún se quedan cortas en esas medidas. Pero "hay un enorme espacio en blanco para la exploración", dice Stephen Forrest, químico de OPV de la Universidad de Michigan, Ann Arbor.

Incluso cuando las OPV hechas en laboratorio parecen prometedoras, escalarlas para crear paneles de tamaño completo sigue siendo un desafío, pero el potencial es enorme. "En este momento es un momento realmente emocionante en OPV porque el campo ha logrado grandes avances en rendimiento, estabilidad y costo", dice Bryon Larson, experto en OPV del Laboratorio Nacional de Energía Renovable.

LA ENERGÍA SOLAR CONVENCIONAL —principalmente basada en silicio— ya es un éxito de energía verde, suministrando aproximadamente el 3% de toda la electricidad del planeta. Es la nueva fuente de energía más grande que se agrega a la red, con más de 200 gigavatios conectados anualmente, suficiente para alimentar 150 millones de hogares. Respaldado por décadas de mejoras de ingeniería y una cadena de suministro global, su precio sigue bajando.

Pero la energía solar y otras fuentes de energía verde no están creciendo lo suficientemente rápido como para satisfacer la creciente demanda y prevenir un cambio climático catastrófico. Entre la marcha del desarrollo económico mundial, el crecimiento de la población y el cambio esperado de gran parte de los automóviles y camiones del mundo del petróleo a la electricidad, se espera que la demanda mundial de electricidad se duplique para 2050. Según las últimas estimaciones de la Agencia Internacional de Energía, Para lograr emisiones netas de carbono cero globales para 2050, los países deben instalar energías renovables a un ritmo cuatro veces mayor que el actual, un desafío que la agencia llama "formidable". El mundo necesita nuevas fuentes de energía renovable, y rápido.

Los defensores de la OPV no creen que la tecnología reemplace los paneles de silicio convencionales para la mayoría de los usos. Más bien, lo ven ayudando a marcar el comienzo de una ola de nuevas aplicaciones y, en última instancia, colocando la energía solar en lugares donde los paneles de silicio no funcionarán. El campo comenzó en 1986 cuando los expertos en películas plásticas de Eastman Kodak Company produjeron la primera OPV, que tenía solo un 1% de eficiencia para convertir la energía de la luz solar en electricidad. Pero a principios de la década de 2000, jugar con las perillas químicas había aumentado la eficiencia de la OPV hasta alrededor del 5%, lo suficiente como para que varias compañías intentaran comercializarlas. Su esperanza era que la impresión de paneles en máquinas de rollo a rollo, como las prensas de periódicos, hiciera que los dispositivos fueran lo suficientemente baratos como para ser útiles a pesar de sus deficiencias. Pero la baja eficiencia y la degradación bajo la luz solar implacable condenaron a los primeros modelos. "La emoción estaba ahí, pero era demasiado pronto", dice Larson.

Parte de la dificultad para aumentar la eficiencia de las OPV, entonces como ahora, es que funcionan de manera diferente a las células hechas de materiales inorgánicos, como el silicio. Todas las células solares son dispositivos tipo sándwich, con semiconductores en el medio que absorben fotones y convierten esa energía en cargas eléctricas, que luego migran a electrodos metálicos en capas arriba y abajo. Cuando la luz del sol incide sobre las células de silicio, la energía añadida expulsa los electrones de sus órbitas alrededor de los átomos de silicio individuales, liberándolos para que fluyan a través del material. Cada electrón excitado deja una vacante de electrones, también conocida como "agujero", que lleva una carga positiva. Las cargas positivas fluyen hacia un electrodo con carga negativa (el cátodo), mientras que los electrones fluyen hacia un electrodo con carga positiva (el ánodo), creando una corriente eléctrica.

Por el contrario, las moléculas de los semiconductores orgánicos tienden a aferrarse a sus cargas con más fuerza. Cuando las OPV absorben la luz solar, hay suficiente energía para sacar un electrón de su órbita atómica, pero no lo suficiente para que las cargas positivas y negativas se separen y se muevan por caminos separados. Más bien, estas cargas opuestas se adhieren entre sí, creando lo que se conoce como excitón. Para generar electricidad, los excitones deben separarse en cargas positivas y negativas que puedan viajar a sus respectivos electrodos.

El momento de la separación llega cuando los excitones se mueven y encuentran una interfaz entre dos componentes semiconductores, llamados materiales donantes y aceptores. El aceptor atrae electrones y el donante atrae los huecos positivos, separando el excitón. Tiene que suceder rápidamente: si el electrón excitado y el hueco se combinan entre sí antes de que puedan alcanzar esa interfaz, a menudo liberan su sacudida original de excitación en forma de calor, desperdiciándolo.

Durante décadas, los investigadores de la OPV han buscado mejorar el rendimiento de sus dispositivos creando donantes y aceptores mejorados. El trabajo realizado a mediados de la década de 2000 impulsó la eficiencia por encima del 5%, principalmente mediante la incorporación de compuestos de carbono en forma de pelota de fútbol llamados fullerenos en los materiales. El hambre de electrones de los fullerenos los convierte en poderosos aceptores. Durante la siguiente década, la acción pasó a manos de los donantes. Para 2012, una serie de polímeros semiconductores novedosos utilizados como donantes impulsaron las eficiencias al 12 %.

Entonces el campo sufrió un doble golpe. Primero, el progreso se estancó mientras los investigadores luchaban por encontrar el siguiente material innovador. Luego, una tecnología solar rival de película delgada, llamada perovskita, irrumpió en escena. Las perovskitas son mezclas de compuestos orgánicos e inorgánicos que son baratos de hacer, fáciles de procesar y excelentes para capturar la luz solar y convertirla en electricidad. Si bien el progreso de la OPV se estancó, la eficiencia de las perovskitas se disparó de alrededor del 6,5 % en 2012 a alrededor del 24 % en 2020. "Las perovskitas fueron un cartucho de dinamita arrojado al mundo de las OPV", dice Larson. Las agencias de financiación abandonaron las OPV y los investigadores acudieron en masa a la nueva empresa. "Las perovskitas eran un carro en el que simplemente tenías que estar", dice Karl Leo, investigador de OPV en la Universidad Técnica de Dresden.

Hoy, las perovskitas siguen calientes. Pero los desafíos con la estabilidad a largo plazo y su dependencia de elementos tóxicos han mermado el entusiasmo. Mientras tanto, las OPV pronto obtuvieron una explosión de innovación propia.

En 2015, investigadores dirigidos por Xiaowei Zhan, científico de materiales de la Universidad de Pekín, informaron sobre el primero de una nueva clase de aceptores de no fullereno (NFA). Aunque los fullerenos eran buenos para captar y transportar electrones, eran pésimos para absorber la luz solar. A nivel molecular, el nuevo compuesto de Zhan, apodado ITIC, parecía un símbolo olímpico extendido con anillos adicionales, e hizo bien ambos trabajos, primero absorbiendo luz roja e infrarroja y luego transportando electrones una vez que los excitones se dividieron.

El primer dispositivo NFA de Zhan tenía solo un 7% de eficiencia. Pero los químicos de todo el mundo rápidamente comenzaron a modificar la estructura de ITIC, produciendo versiones mejoradas. Para 2016, los nuevos NFA impulsaron la eficiencia de la OPV al 11,5 %. Para 2018, alcanzaron el 16%. Y los récords siguen llegando. El año pasado, Larson y sus colegas informaron en Nature Communications que al combinar múltiples donantes, un NFA y un fullereno en una sola capa, crearon un material que permitió que los excitones vivieran más tiempo y generaron agujeros más rápidamente en su electrodo, lo que empujó su eficiencia hasta el 18,4%. Y en agosto, Zhan Lingling de la Universidad Normal de Hangzhou y sus colegas informaron en Advanced Energy Materials que una OPV basada en una estrategia multicomponente similar logró una eficiencia del 19,3 %. "El progreso ha sido realmente impresionante", dice Jean-Luc Brédas, experto en OPV de la Universidad de Arizona. "El veinte por ciento se alcanzará pronto".

ESO pondría a las células OPV a unos pocos puntos porcentuales de sus CIGS y rivales de silicio. Aún así, pocos observadores del mercado creen que las OPV competirán cara a cara con el silicio en el corto plazo. Las celdas solares de silicio ya controlan un mercado de $85 mil millones al año, con un historial de 30 años y durabilidad comprobada.

Por el contrario, las OPV siguen siendo productos de nicho. Las OPV más baratas, como los dispositivos Heliatek, se ven obstaculizadas por su baja eficiencia, y las más eficientes aún son experimentales y costosas. Entonces, por ahora, dice Forrest, es mejor que los fabricantes de OPV apunten a nuevos mercados donde el silicio no es adecuado. "Si estás compitiendo contra el silicio, vete a casa, ya perdiste", dice.

Un uso de rápido crecimiento es enyesar las películas generadoras de energía en los costados de los edificios. CIGS y otras películas delgadas inorgánicas se pueden usar de la misma manera. Pero la demanda de los paneles de Heliatek es lo suficientemente dinámica como para que, aunque la empresa comenzó a venderlos el año pasado, ya está construyendo una fábrica capaz de producir 2 millones de metros cuadrados (m2) al año, suficiente para proporcionar aproximadamente 200 megavatios de energía. Mientras tanto, una empresa sueca llamada Epishine vende OPV que funcionan en interiores y pueden reemplazar las baterías desechables en todo, desde sensores de temperatura hasta controles de iluminación automatizados; Ha construido su propia línea de producción de alta velocidad. Las nuevas empresas estadounidenses Ubiquitous Energy y NextEnergy están desarrollando ventanas OPV generadoras de energía que capturan principalmente fotones infrarrojos mientras permiten el paso de la luz visible, algo que CIGS y otras películas delgadas opacas no pueden hacer. Y la Oficina de Investigación Naval de EE. UU. (ONR) tiene el ojo puesto en el uso de OPV como telas productoras de energía para tiendas de campaña, mochilas y otros equipos para soldados en movimiento. "Queremos algo que podamos llevar al frente", dice Paul Armistead, quien supervisa el financiamiento de OPV en ONR.

Sin embargo, para que las OPV se conviertan en una fuente importante de energía verde, deberán competir con sus rivales en eficiencia y durabilidad, y eso requiere no solo nuevos materiales, sino también delicadeza en la fabricación. Los dispositivos más eficientes actualmente existen solo como prototipos del tamaño de un sello postal en el laboratorio. En teoría, aumentar la producción de celdas de 1 centímetro cuadrado a paneles de 1 m2 es simple. Los compuestos orgánicos como los polímeros y los NFA se pueden disolver en solventes y recubrir a máquina en grandes áreas. Pero cada capa en el dispositivo tipo sándwich debe ser completamente lisa, con pocas o ninguna imperfección, lo que puede atrapar cargas en movimiento y reducir la eficiencia general. "Para obtener eficiencias decentes, todo tiene que funcionar correctamente", dice Armistead.

Aún más desafiante es controlar la composición de la capa central del emparedado que contiene a los donantes y aceptores. Esta combinación de materiales se deposita inicialmente como un líquido con donantes, aceptores, a veces otros aditivos y disolventes, todos mezclados. A medida que el solvente se evapora, los donantes y los aceptores se segregan, creando dos redes continuas entrelazadas. El resultado es una gran superficie en la interfaz entre las regiones donante y aceptora para separar las cargas. Las redes continuas también permiten que las cargas opuestas fluyan a lo largo de sus propios caminos hacia los electrodos, con electrones viajando a través de la red de aceptores y huecos moviéndose a través de los donantes.

Las cintas entrelazadas de donantes y aceptores deben ser extremadamente delgadas, porque los excitones creados cuando los fotones golpean el material solo pueden migrar unos 20 nanómetros antes de que las cargas se recombinen y se pierda la oportunidad de generar electricidad, dice Zhenan Bao, químico de la Universidad de Stanford. "Tienes que tener la morfología correcta", dice Armistead. Hacerlo de manera confiable, a gran escala, sigue siendo un desafío.

Él y otros se sienten alentados por un estudio publicado el 27 de octubre en Nature Energy por Jie Min, un experto en OPV de la Universidad de Wuhan, y sus colegas. El equipo de Min adaptó un enfoque popular para la fabricación de películas delgadas a alta velocidad llamado revestimiento de hoja. El enfoque convencional, que mezcla donantes y aceptores y esparce el líquido a través de una película en movimiento y lo iguala con lo que parece una escobilla de goma larga, puede producir tales películas a unos 2 m por minuto. Pero al pasar las capas por separado una tras otra, los investigadores establecieron una mejor red de donantes y aceptores de hasta 30 m por minuto. Las celdas resultantes tenían eficiencias de hasta casi el 18%. El equipo de Min también calcula que la tasa de fabricación más rápida podría reducir los costos de OPV más de 10 veces y hacer que el precio por kilovatio-hora (kWh) sea competitivo con el silicio.

Un aumento de dos décadas en la eficiencia con la que la energía fotovoltaica orgánica convierte la luz solar en electricidad fue impulsado primero por moléculas llamadas fullerenos y cambios en la estructura de las películas, luego por mejores materiales "donantes" y "aceptores" para separar las cargas positivas y negativas.

Sin embargo, lo que queda por ver es si tales células conservarán la estructura interna necesaria para una alta eficiencia durante décadas. "En algunas de las celdas que batieron récords, la morfología cambia con el tiempo y el rendimiento no se mantiene", dice Armistead. Los NFA son especialmente susceptibles, porque los mejores consisten en moléculas pequeñas que pueden desplazarse fácilmente a través del material.

Reemplazar los NFA con aceptores entretejidos en polímeros largos para ayudar a mantenerlos en su lugar podría ayudar. "Tienen la oportunidad de ser muy robustos", dice Armistead. El progreso también está en marcha aquí. En la edición del 18 de agosto de Advanced Materials, los investigadores dirigidos por Alex Jen, científico de materiales de la Universidad de Hong Kong, informaron que las células solares de polímero tenían una eficiencia del 17 % y retenían el 90 % de su eficiencia en pruebas de envejecimiento acelerado. "Eso es bastante notable", dice Bao, cuyo equipo también trabaja en celdas de polímero.

Sin embargo, la estabilidad y la alta eficiencia aún no serán suficientes. Para triunfar en el mercado, las células solares también deben demostrar su fiabilidad durante décadas. "Es un taburete de tres patas y tienes que tener las tres patas", dice Forrest. Bajo una exposición intensa a los rayos ultravioleta (UV) de la luz solar, los compuestos orgánicos en las células solares pueden degradarse, tanto como nuestra piel se quema durante un día en la playa.

En la edición del 14 de septiembre de 2021 de Nature Communications, Forrest y sus colegas informaron que agregaron una capa delgada de óxido de zinc que absorbe los rayos UV (el mismo material en algunos protectores solares) a su OPV, lo que extendió su vida hasta 30 años en pruebas de envejecimiento acelerado. "Es protector solar para las células solares", dice Forrest. Larson, que no formaba parte del equipo de Forrest, lo llama "un gran resultado".

En un sentido, las OPV ya tienen una clara ventaja sobre casi todas las demás tecnologías de generación de energía: una huella de carbono sorprendentemente baja. Al evaluar los paneles de Heliatek, el instituto de pruebas alemán TÜV Rheinland certificó que por cada kWh de electricidad que producen los paneles de la empresa, se emitirían como máximo 15 gramos (g) de dióxido de carbono (CO2) al fabricarlos, operarlos y eventualmente desecharlos. Eso se compara con los 49 g de CO2/kWh de los paneles de silicio y la friolera de 1008 g de CO2/kWh de la minería y la quema de carbón. Incluso con su baja eficiencia, los paneles de Heliatek generarán más de 100 veces la energía que se necesita para fabricarlos y manejarlos durante su vida útil.

Es seguro que la huella de carbono de las OPV se reducirá aún más a medida que su eficiencia continúe estableciendo nuevos récords, aumente la vida útil y avancen los métodos de producción. Esas tendencias están alimentando las esperanzas de un mundo en el que la energía solar se extienda no solo por los tejados y los matorrales del desierto, sino también a lo largo de las fachadas curvas de los rascacielos, las ventanas del mundo y casi cualquier otro lugar donde la gente esté buscando un poco de energía. Eso podría hacer que las perspectivas para abordar el cambio climático sean un poco más brillantes.