INVESTIGACIÓN

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La fuerza del Sol concentrada en celdas

energia solar en celdas

La fuerza del Sol concentrada en celdas

Académicos de la Facultad de Química UC trabajan para capturar la energía solar de forma más eficiente y menos costosa, lo que podría poner a Chile en el mercado mundial de este tipo de desarrollos.

Aunque la energía solar está disponible en casi todo el mundo, la forma de atraparla sigue siendo cara y engorrosa. Las celdas son poco eficientes, se desgastan con el tiempo y solo recién se encontró una manera de almacenar y poder utilizar durante la noche la energía acumulada en el día.

Por eso, el interés es mundial en esta carrera de investigación tan reñida. Pero los profesores de la Facultad de Química UC no se amilanan con eso y dicen que aunque su aporte sea un grano de arena más, es igualmente importante.


María Angélica del Valle y Bárbara Loeb están en esquinas opuestas, químicamente hablado. La primera, la actual decana de la facultad, trabaja en la mejora de las celdas solares con materiales orgánicos, mientras que la segunda, con 35 años enseñando, lo hace con moléculas inorgánicas. Ambas están en la carrera por desarrollar mejores celdas solares por igual, porque aún no hay consenso mundial por cuál de las dos aproximaciones se inclinará finalmente la balanza.

Uno de los principales problemas de las actuales celdas solares es el material del cual están hechas. El silicio monocristalino, aunque es un excelente semiconductor, es muy caro de obtener y de elaborar, dice Bárbara Loeb desde la perspectiva inorgánica.

Básicamente, una celda es un sándwich de placas de silicio más otros compuestos que, al estar en contacto con la luz, entran en un estado de excitación, se producen cambios en sus moléculas y comienzan a moverse sus electrones. Ese pandemonio es el que produce finalmente la energía que viaja por cables recolectores que debiera finalmente iluminar ciudades o echar a andar fábricas.

Pero desde hace un tiempo el uso de un nuevo semiconductor salió a la luz, que podría destronar en su función al silicio. El óxido de titanio es "tremendamente barato y su elaboración no requiere de mucha inversión", dice Bárbara Loeb. "La desventaja está en su color blanco, que no aprovecha la zona visible de la luz del Sol, justamente la que tiene mayor intensidad de radiación. Pero eso se puede arreglar recubriéndolo con una tintura coloreada", explica la científica.

Es en ese talón de Aquiles donde radica su investigación: ella busca distintos compuestos que puedan ser aplicados como tinturas sobre las celdas de óxido de titanio.

Con varios Fondecyt ganados por el tema, Bárbara Loeb y su equipo comenzaron desde cero para probar las distintas tinturas que podrían funcionar. "Partimos con lo básico, entender las moléculas y sus procesos de excitación, luego pasamos a celdas modelo, a armarlas y probarlas", señala.

Como en un juego Lego, lo primero que hicieron fue detectar qué moléculas eran más útiles a sus propósitos: una estructura tinturada que se pegue o la superficie de la placa de óxido de titanio, una rugosa a nivel nanométrico. Estas moléculas son los bloques o ladrillos que necesitan para armar la estructura.

Armar esa base desde la nada les puede tomar hasta cuatro meses, dice Bárbara Loeb.

"Un tiempo dedicado a la síntesis que no muchos centros internacionales están dispuestos a invertir", asegura. Pero esta es solo la parte inicial, donde crean los ligandos o estructuras con muchos átomos agrupados en distintas formas, según lo que se quiere conseguir.

Cuando logran ese cometido, pueden seguir con la síntesis de las moléculas de la tintura, lo que toma entre dos a tres meses más. La siguiente etapa es introducir la celda en un líquido con la tintura disuelta, chequear que efectivamente se pegue a ella y probar el resultado exponiéndola a la luz, observando si la convierte en electricidad.

Aunque la profesora de la Facultad de Química UC reconoce que la búsqueda ha sido lenta en los ocho años que lleva en esto, sí han tenido resultados positivos. "Incluso ahora estamos haciendo cálculos moleculares antes de sintetizar, para verificar la potencialidad de determinada molécula de inyectar electrones en la celda", argumenta.

La otra cara del plástico

En la otra esquina, María Angélica del Valle trabaja para que el plástico se vuelva el mejor amigo del Sol.

En la década del 70, la ciencia descubrió que existían polímeros conductores, es decir, en contra de lo que se creía, el plástico no solo era un buen aislador (por eso los cables eléctricos están cubiertos con él) sino también un excelente conductor de energía eléctrica.

Tras el gran descubrimiento se pensó que esta característica era lo mejor que podían ofrecer estos polímeros, pero con el tiempo, cuenta la científica, esa propiedad quedó en segundo plano porque aparecieron otras y con mucho más potencial.

"Se pensó que la conductividad era el tremendo descubrimiento, que tenían incluso las mismas característica de los metales, pero finalmente eso terminó siendo lo menos importante y hoy estos polímeros tienen muchas aplicaciones", dice María Angélica del Valle.

Ellos son los responsables de que televisores y computadores se miniaturicen, que las baterías sean cada vez más eficientes y que los diabéticos puedan medir el nivel de azúcar en su sangre en cualquier lugar y sin hacerse un examen de laboratorio. Y, por supuesto, también son útiles para fabricar celdas solares. "Como es materia orgánica, es inagotable", dice la científica: "Son livianos, fáciles de manejar y de elaborar, y mucho más baratos. Incluso duran más que el silicio".

El problema, y por eso aún no se utilizan, es que "no se ha logrado que los polímeros conductores tengan la misma eficiencia del silicio". Y es aquí donde entra su investigación. Ella y su equipo trabajan en la elaboración de nuevos materiales, como polímeros eficientes para construir celdas.

"Partimos desde moléculas muy chicas, a través de las cuales hacemos pasar una corriente que hace que se forme el polímero", explica. El proceso electroquímico produce una capa del polímero sobre un vidrio, que se constituye como la primera de varias capas de aquél.

Una vez elaborado el polímero, el nuevo material viaja a Francia, a la Universidad de Nantes. Allí, y como parte de un convenio de trabajo que data de los años 90, ingenieros utilizan el plástico para construir la celda. Recién entonces se puede saber si los meses de trabajo dieron resultados.

Por todo, María Angélica del Valle está satisfecha. Asegura que han tenido pequeños avances en su búsqueda de hacer más eficiente la celda y también en su elaboración. Quizás el mayor aporte a esta competencia mundial, agrega, son sus nanohilos de polímero que crecen pegados a la celda. Porque aunque ya se habían logrado, estos crecían separados de la placa, con lo que quedaba del problema de cómo pegarlos. El descubrimiento de esta académica UC fue publicado en 2010 en Electrochemistry Communications. ¿Cuál es su ventaja? La eficiencia. "Es el mismo polímero, pero al tener esta estructura, como la de una esponja con nanositios de donde crecen los hilos, ésta se expande hacia arriba. Así se multiplica el área comparada con una simple capa de polímero; es el mismo espacio pero con una eficiencia mucho mayor", asegura.
En su tercer proyecto Fondecyt, María Angélica del Valle sigue optimista. "Hace cinco años los polímeros conductores tenían una eficiencia de 0,1 % con una meta de 10%. Hoy vamos en 5%: ¡El crecimiento es exponencial! Creo que los sistemas orgánicos lograrán eficiencia en 10 o 20 años y reemplazarán a los inorgánicos", asegura.

eficiencia comparativa de algunos tipos de celdas solares1


PLASTICO BIODEGRADABLE

Los polímeros o plásticos tienen un uso muy extendido desde hace mucho, por lo que también han dejado una gran huella de contaminación, incluso cuando se utilizan en pequeñísimas cantidades. Un paso por la Universidad de Windsor, en Canadá, en 2002, y el comienzo de la investigación extensiva con nanopartículas hizo a Ángel Leiva, profesor de la Facultad de Química, enfocarse en los copolímeros biodegradables, es decir, plásticos para procesos específicos que ostentan menor huella ecológica. Su labor consiste en producir nanopartículas de metales nobles como oro, paladio o platino contaminando lo menos posible. "Trabajamos en una ruta verde, donde sintetizamos los polímeros biodegradables para estabilizar y reducir el oro a nanopartículas", explica. Estos polímeros, además, ayudan a hacer más eficiente el uso de las nanopartículas. Esto es esencial para el desarrollo, por ejemplo, de sensores para la medición del nivel de azúcar en los diabéticos y para monitorear enfermedades en general. También, dice el científico, se utiliza para medir contaminación en agua en concentraciones muy bajas, donde se necesita poder encontrar unas pocas moléculas, o para desarrollar procesos de purificación.

El investigador ya tiene varios papers publicados de los distintos avances de su trabajo. En European Polymer Journal justamente reportó la síntesis verde de estos copolímeros.