Plásticos iluminados por el sol

Las energías renovables, también conocidas como energías verdes, son aquellas que proceden de fuentes naturales, se renuevan rápidamente y son inagotables. Se basan en fenómenos naturales y constantes como la emisión de luz solar (energía solar), la potencia del viento, las cascadas y las mareas (energía producida por turbinas eólicas o hidráulicas), el calor de la tierra (energía geotérmica) o la transformación química de los vegetales (biomasa). Se dividen, por lo tanto, en cinco familias.

En Europa, la cuota de energías renovables utilizadas en la producción de electricidad superó por primera vez la de combustibles fósiles en 2020. Las energías solar, hidráulica y eólica representaron el 30% del total de la energía producida en los países de la UE-27, comparado con el 37% procedente de combustibles fósiles*.
* Fuente: Ember, un laboratorio de ideas independiente especializado en la transición energética.

Polímeros atraparrayos

El efecto fotovoltaico consiste básicamente en transformar la luz en electricidad. Este fenómeno físico se logra gracias a los denominados materiales semiconductores, que producen electricidad cuando están expuestos a la luz. Las células fotovoltaicas, que constituyen el componente principal de estos sistemas, están formadas por dos capas de un material semiconductor como, por ejemplo, el silicio, conectadas entre sí mediante dos electrodos metálicos. El proceso, explicado de forma simplificada, consiste en que la luz del sol (fotones) bombardea las células, esto excita los materiales semiconductores y se produce el movimiento de un haz de electrones de una capa a otra a través de los electrodos, generándose una corriente eléctrica.

El silicio, que se obtiene a partir de arena o cuarzo, todavía es el material más utilizado en la fabricación de células fotovoltaicas. Estas células se encuentran en medio de dos placas de vidrio. Aunque esta tecnología proporciona importantes rendimientos energéticos, todavía es cara debido al coste de los materiales y, sobre todo, a la gran cantidad de energía necesaria para su fabricación.

A día de hoy los paneles fotovoltaicos convencionales son los que ofrecen mejores rendimientos, aunque es una tecnología cara y que requiere una gran cantidad de energía.

 Se estima que un módulo fotovoltaico de este tipo debe funcionar durante al menos 3 años para compensar la energía invertida en su elaboración. Eso es mucha energía... pero estos paneles de vidrio siguen fabricándose hoy en día porque todavía ofrecen los mejores rendimientos.

Los fabricantes de paneles solares llevan décadas buscando soluciones para minimizar los costes, entre ellas, la sustitución del vidrio por polímeros. Inicialmente, centraron sus esfuerzos en el uso de etileno-acetato de vinilo (EVA) para encapsular las células, y fluoruro de polivinilideno (PVDF) para crear las películas que protegen los paneles. En los últimos años, el poli(metacrilato de metilo) (PMMA) está ganando protagonismo porque es muy transparente y permite que la luz se concentre en unas células diminutas. Gracias al PMMA, el tamaño de las células de silicio se ha reducido a una tercera parte.
El uso de polímeros en lugar de vidrio en el diseño de los sustratos (las piezas que encapsulan las células) ofrece numerosas ventajas. Los paneles solares de este tipo son especialmente ligeros y pueden flotar en el agua, por lo que ofrecen la oportunidad de aprovechar ciertas superficies como, por ejemplo, en las estructuras acuáticas artificiales (embalses de riego, depósitos de agua potable, estanques de acuicultura, presas, etc.). Existen sistemas de paneles flotantes formados por unos flotadores modulares hechos de polietileno de alta densidad (HDPE), un material que es extremadamente resistente a la radiación ultravioleta, la corrosión y los vendavales.
Esta tecnología está bien consolidada y ofrece buenos rendimientos, por lo que ha abierto la puerta a las denominadas células solares de película fina.

Vea nuestros artículos sobre este tema:
Estaciones de energía solar que flotan en el agua
En inglés: A panel in the pond

La perfecta impermeabilidad de los polímeros, junto con su resistencia y ligereza, han hecho posible el diseño de paneles voltaicos flotantes. La solución ideal para optimizar las superficies acuáticas desaprovechadas.

Los plásticos se tumban al sol

Las tecnologías de película fina nos permiten prescindir del silicio. Su fabricación implica el uso de un láser para la depositación de unas pocas micras de otros materiales semiconductores como, por ejemplo, aleaciones de telururo de cadmio, sobre un sustrato económico, flexible o rígido, generalmente hecho de plástico. Estas tecnologías abren paso a un nuevo campo de aplicaciones para determinados polímeros como, por ejemplo, las poliimidas o los polímeros fluorados, que son los únicos capaces de soportar las temperaturas alcanzadas durante el procesamiento mediante láser. Su eficiencia sigue siendo baja, aunque suficiente para alimentar aparatos eléctricos pequeños y de bajo consumo. Se utilizan desde hace tiempo, por ejemplo, en calculadoras pequeñas.

Gracias a la tecnología de película fina, los polímeros han entrado con fuerza en el campo de los paneles solares. Al ser más ligeros y económicos, su uso es cada vez más frecuente.

Aunque hace décadas que se emplean polímeros para crear sistemas fotovoltaicos, en un futuro próximo podrían volverse indispensables puesto que las investigaciones actuales se centran en células fotovoltaicas 100% «orgánicas». En este caso, las células están compuestas por dos polímeros semiconductores. Uno de ellos, el politiofeno, actúa como donante de electrones, y el otro, el fulereno, como receptor.

 Estas células se encuentran encapsuladas entre dos finas películas de metal que ejercen de electrodos, protegidas por una película de plástico y colocadas sobre un sustrato también polimérico.
Hasta el momento, su rendimiento energético todavía no ha alcanzado el nivel de sus homólogos de silicio. También su estabilidad es mejorable, y siguen siendo un poco caros a pesar de los avances realizados año tras año.

Uno de los retos más importantes es la simplificación del proceso de producción mediante la utilización de impresoras 3D. Aunque esta tecnología se encuentra todavía en fase experimental, se utilizó para crear los árboles solares del pabellón alemán en la Exposición Universal de Milán de 2015. Estos árboles fueron el primer sistema fotovoltaico basado en polímeros orgánicos completamente integrado en un elemento arquitectónico de mobiliario urbano. Se reubicaron posteriormente en el laboratorio de la empresa alemana Merck, en Darmstadt. Sin duda, queda mucho camino por recorrer en el campo de la energía solar 100% orgánica, pero los centros de investigación están recibiendo una importante financiación debido a la emergencia climática. El objetivo de que en una década se haya generalizado el uso de estos revolucionarios paneles ha dejado de ser una quimera.

Finalmente, se contemplan también otras variantes. Mediante el uso de células híbridas que combinan elementos orgánicos e inorgánicos al incorporar una capa central de perovskita -un material mineral inorgánico relativamente barato-, el rendimiento energético de los paneles podría alcanzar el 20%, rivalizando con las células de silicio. Este tipo de célula voltaica ultraligera y posiblemente imprimible podría instalarse en el techo de los vehículos eléctricos en un futuro no muy lejano. Su función no sería la de alimentar el motor sino algunos accesorios como el sistema de GPS, la radio o incluso el aire acondicionado.

Las células fotovoltaicas orgánicas basadas en polímeros pronto abrirán nuevas perspectivas para la energía solar, especialmente en el ámbito de los automóviles y el transporte en general.

 En 2019, la producción mundial de electricidad fotovoltaica solar alcanzó los 724 TWh, lo que representa el 2,7 % de la producción de electricidad mundial. Según datos de la Agencia Internacional de la Energía, con las instalaciones existentes a final de 2020, este porcentaje ascendió hasta el 3,7% (el 6% en Europa) y se prevé que podría alcanzar el 16% en 2050.