Energía sustentable: Celdas fotovoltaicas orgánicas
Dr. José Luis Maldonado Rivera
Centro de Investigaciones en Óptica A.C., A.P. 1-948, C.P. 37000 León, Gto., México.
E. mail: jlmr@cio.mx
Resumen
Las fuentes principales de energía en los siglos anteriores fueron mayormente no renovables mientras que las celdas solares son fuentes de energía renovables. Las celdas solares basadas en materiales inorgánicos han mostrado un gran desarrollo, sin embargo el alto costo de su producción ha imposibilitado su amplio uso. Por otro lado, el empleo de materiales orgánicos en la fabricación de celdas es una alternativa actualmente considerada por diversos grupos de investigación. Los retos principales para las celdas orgánicas son el incremento de la eficiencia de conversión de energía solar en eléctrica, la reducción en sus costos de fabricación y el alcanzar un mayor tiempo de vida. Los grupos de investigación trabajan de forma interdisciplinaria e interinstitucional sintetizando/modificando nuevos materiales orgánicos y desarrollando nuevas configuraciones.
1. Introducción
A nivel mundial la reducción de las reservas de los combustibles fósiles (petróleo particularmente) muestra la necesidad urgente de contar con fuentes alternas de energía que sean preferentemente renovables, limpias y económicas tales como la eólica, la hidroeléctrica y la solar. La búsqueda de estas fuentes alternas es uno de los más importantes retos que actualmente la humanidad enfrenta. En particular, la energía solar está siendo explotada de varias formas, pero el método más familiar usa celdas solares basadas en silicio donde la transformación directa de la luz del sol en electricidad se realiza a través del efecto fotovoltaico (efecto PV por sus siglas en inglés). La industria de estas celdas solares se inició en 1953 cuando científicos de los laboratorios Bell desarrollaron con éxito una celda fotovoltaica de estado sólido que convertía 5 % de la energía del Sol produciendo sólo 5 mW de potencia eléctrica. Estas celdas solares inorgánicas han sido optimizadas y actualmente pueden operar con eficiencias de conversión de potencia eléctrica mayores al 20 %. La aplicación de esta tecnología solar inorgánica la encontramos en muchos instrumentos como en una calculadora, en un reloj, para la alimentación de teléfonos de emergencia en las carreteras, en lámparas decorativas de jardín, etc. No obstante, la tecnología PV basada en semiconductores inorgánicos como el silicio y otros, requiere condiciones de fabricación muy especializadas que implican un costo alto que no es rentable para determinadas aplicaciones y que hasta ahora ha restringido su uso masivo, además, se generan residuos contaminantes como el CO2.
Una alternativa para disminuir los costos de fabricación, de producción masiva y de mínima generación de residuos es mediante el uso de semiconductores orgánicos en sustitución del tradicional silicio. Desde el descubrimiento de los semiconductores orgánicos, ha existido un notable esfuerzo para que estos materiales puedan emular el comportamiento de dispositivos basados en substancias inorgánicas. Ejemplos de estos dispositivos son las celdas solares, los transistores de efecto de campo (FETs) y los diodos emisores de luz (LEDs). Fue sólo hasta años recientes que el progreso logrado en la investigación básica y aplicada ha permitido considerar a los materiales orgánicos para ser usados como una alternativa viable en esas aplicaciones, las cuales se denominan de forma genérica opto-electrónicas.
Como caso particular, en los últimos 20 años se han dedicado grandes esfuerzos para desarrollar diodos emisores de luz orgánicos (OLEDs) los cuales tienen aplicaciones en pantallas, señalizadoras (displays) e incluso en iluminación. Como resultado de estos esfuerzos, se cuenta actualmente con una tecnología ya madura que está entrando al mercado comercial para competir en varios nichos de aplicación, sobre todo en aquellos en donde se requieren pantallas delgadas y flexibles como las observadas en las fotografías de la Fig. 1. La maduración de la tecnología de los OLEDs impulsó a otras tecnologías basadas en materiales orgánicos. Dos ejemplos son las celdas solares de películas sólidas de estructura amorfa, conocidas como celdas OPVs (Organic Photovoltaics) y las de estructura semi-líquida e híbrida (orgánica-inorgánica) que contienen un electrolito líquido y colorantes sensibilizadores, conocidas como DSSC (Dye Sensitized Solar Cells). Es de interés mencionar que en los OLEDs se aplica electricidad y se genera luz, mientras que en las celdas OPVs y DSSC, se absorbe luz y se genera electricidad.
Las celdas OPVs presentan actualmente una eficiencia de alrededor de 9 % mientras que las celdas DSSC una eficiencia típica de 11 %, y la eficiencia de dispositivos inorgánicos (cristalinos) es arriba del 20 %. Estas dos estructuras de celdas orgánicas son las más ampliamente estudiadas y de las dos, la más prometedora es la basada en películas delgadas amorfas de estado sólido (celdas OPVs) ya que las DSSC son “celdas húmedas” y por tanto tienen importantes limitaciones tecnológicas. Es por ello que este artículo se referirá preferentemente a las celdas OPVs. La evolución de la eficiencia de conversión lograda desde la década de los 70’s en las celdas OPVs ha sido impactante: en 1975 fue del 0.001 %; en 1986 del 1 %; en 2006 fue del 5.5 %; en 2009 fue del 6.1 % y actualmente (2011-2012) se han reportado eficiencias superiores al 9 %. Sin embargo es de importancia señalar que en los grupos de investigación y en la literatura la mayoría de las investigaciones reportan eficiencias típicas entre 3 y 5 %.
Tanto el incremento de la eficiencia y de la vida útil de las celdas OPVs, así como del almacenamiento de la energía eléctrica obtenida permitirán a mediano plazo competir con la tecnología inorgánica convencional. Actualmente el tiempo de vida de las celdas solares orgánicas producidas en los laboratorios es de semanas a meses, aproximándose cada vez más al año, compárese esta duración con la de materiales inorgánicos que es de 15-20 años. También es muy recomendable el tener acumuladores eléctricos para el almacenaje de esta energía eléctrica foto-generada, ya que, aún y cuando se llegara a tener una alta eficiencia, usualmente no será posible alimentar directamente a algún dispositivo con la sola conversión solar. Por ejemplo, las pequeñas lamparillas de decoración en jardines no se encienden directamente con la conversión
fotovoltaica sino que durante el día esta energía eléctrica está siendo almacenada en una pequeña batería recargable. Bastaría tener una celda solar orgánica con baja eficiencia de conversión, i.e. 5 %, y un buen sistema de almacenaje para que esta conversión fotovoltaica de energía eléctrica pudiera ser de utilidad para ciertos usos.
Por otro lado, en cuestión del costo para la generación de energía a partir de celdas OPVs debemos de tener en cuenta que en Estados Unidos la generación de energía eléctrica actual por medio de celdas solares inorgánicas se estima en unos 30 centavos de dólar por kilowatt-hora. Mientras que el precio en una zona residencial la energía eléctrica producida por medios tradicionales (una planta hidro-eléctrica o termo-eléctrica) es de unos 8 centavos de dólar. Obsérvese que para la fabricación de las celdas basadas en silicio normalmente se requiere de cuartos limpios. Esto es, para producir estas celdas inorgánicas se requiere control en la cantidad de partículas del aire, temperatura, humedad, flujo de aire, presión interior del aire, iluminación, etc. Estos cuartos limpios pertenecen a una tecnología muy costosa que pocas instituciones pueden tener y sobre todo a gran escala como lo son las fábricas. Por el contrario, para producir las celdas OPVs no se requiere tener un control estricto de los parámetros antes mencionados y pueden fabricarse en laboratorios con equipos mucho más económicos sin necesidad de cuartos limpios. Un cuarto limpio en su costo inicial es de decenas de miles de dólares y también, el precio de mantenimiento es muy alto. Por todo lo anterior, es difícil decir cuántas veces más económica será la producción de celdas OPVs en comparación con el costo de producción de celdas inorgánicas. Sin embargo es claro que por el simple hecho de no requerir cuartos limpios para la fabricación de celdas orgánicas es suficiente para señalar un menor costo en la energía obtenida.
Por otra parte, cuando se habla de residuos contaminantes con el uso de celdas inorgánicas, se refiere a que durante la producción de los paneles solares se tienen emisiones como el CO2 y, después de su vida útil (unos 20 años) se tienen residuos como el telurio de cadmio y el plomo de las soldaduras que en grandes cantidades pueden ser peligrosos. Otros residuos dañinos pudieran ser el tetracloruro de silicio. Para el caso de las celdas OPVs no se tendrán éste tipo de contaminantes y seguramente en el desarrollo de nuevos materiales se buscará reducir al mínimo este problema. Otra dificultad que se observa en la producción de celdas inorgánicas, en particular con silicio cristalino, es su rigidez, la nula transparencia óptica y su masa que es considerable. Por el contrario, el uso de las celdas OPVs estará enfocado en mochilas (ya hay prototipos), portafolios, carpas para fiestas, para circos, para reuniones, en estaciones de autobuses (ya hay
prototipos), en ventanas de edificios, etc. Todo lo anterior para alimentar eléctricamente pequeños dispositivos como celulares y pequeñas lámparas de iluminación, ver Fig. 2. Todas estas aplicaciones pueden hacerse realidad dada la flexibilidad y transparencia de esta nueva tecnología polimérica. Estas propiedades se deben a que las celdas OPVs pueden fabricarse totalmente a partir de polímeros plásticos con grosores del orden de 100 nm. En este sentido, se prevé que ambas tecnologías de celdas solares (inorgánica y orgánica) serán complementarias en un futuro encontrando cada una de ellas sus aplicaciones particulares.
Ciertamente hoy en día parece muy difícil que a través de la sola conversión fotovoltaica puedan sustituirse las fuentes tradicionales de energía, pero existen otras opciones como la energía eólica y también los biocombustibles, por ejemplo. En este mundo globalizado algunos países han logrado conjuntar esfuerzos para desarrollar fuentes renovables de energía como es el caso de Alemania. Este país es líder mundial en este tipo de energías y se ha propuesto generar 20 % de sus requerimientos energéticos a través de tecnologías renovables. En particular, Alemania es el principal productor de energía fotovoltaica superando a Japón y es líder mundial en energía eólica. En un futuro, estas tecnologías renovables en su conjunto (eólica, biocombustibles, fotovoltaica inorgánica y orgánica, entre otras) pudieran ser una fuente energética sumamente importante para cuando el petróleo se termine.
Por todo lo anterior, para que las celdas OPVs tengan realmente un impacto comercial profundo es necesario que las eficiencias de conversión de luz solar a eléctrica sean mayores al 10 %, con un tiempo de vida de años y contar con sistemas de almacenamiento de energía adecuados. Para lograr este impacto se hace notar que el número de publicaciones y de grupos de investigación en este campo se han incrementado considerablemente en los últimos años. La característica que guardan estos grupos de investigación es la de estar conformados de manera multidisciplinaria y dedicados a la búsqueda de novedosos materiales orgánicos y de nano-tecnologías para ser usados en aplicaciones fotovoltaicas. También, el número de patentes relacionadas con nuevos materiales (polímeros, óxidos metálicos transparentes, etc.) que se están usando en celdas OPVs se ha incrementado desde el año 2000. En ese año el número de patentes era de alrededor de 100, y para el año 2009 el número se incrementó en un orden de magnitud, es decir el número de patentes fue de alrededor de 1000.
2. Operación básica de los OLEDs y celdas OPVs
La electroluminiscencia es el proceso por el cual la electricidad es convertida en luz empleando materiales incandescentes, tal como sucede en el filamento metálico de un foco cuando circula una corriente eléctrica a través de él. Para el caso de materiales orgánicos, el dispositivo basado en la electroluminiscencia es el OLED. El proceso inverso a la electroluminiscencia, esto es, el proceso para producir electricidad a través de la conversión de fotones se conoce como efecto fotovoltaico (PV) y el dispositivo que ilustra este proceso con materiales orgánicos es la celda OPV. En los OLEDs la electroluminiscencia se basa en la inyección de huecos libres (cargas eléctricas positivas o tipo p) y electrones (cargas negativas o tipo n) de los electrodos hacia la película orgánica. Estos huecos y electrones se recombinan en la película para formar un excitón permitiendo la generación de luz. Un excitón es una pareja electrón-hueco fuertemente unida por la atracción Coulombiana. Por el contrario, cuando una celda OPV se ilumina, la luz es absorbida por el material orgánico y se produce un excitón. El excitón se desplaza entre las moléculas orgánicas ocurriendo una disociación de éste (esto es, la separación de los huecos y electrones) y son los huecos y electrones “libres” quienes migran a sus respectivos electrodos produciendo un voltaje y una corriente. En la Fig. 4 a) se representan ambos fenómenos tanto para un OLED como para una celda OPV en su configuración más simple de una sola película orgánica entre dos electrodos: ánodo y cátodo.
Debido a que la inyección de carga eléctrica (o colección de carga para una celda OPV) es un factor crucial que determina la cantidad de luz emitida en los OLEDs (y el voltaje de operación en las celdas OPVs), se usan electrodos metálicos con baja y alta función de trabajo como cátodos y ánodos respectivamente. La función de trabajo es la energía luminosa necesaria para el desprendimiento de un electrón en un metal. Lo anterior reduce las barreras energéticas de inyección para OLEDs y mejora la colección de carga en celdas OPVs. La función de trabajo de los electrodos debe además correlacionarse con los niveles energéticos, denominados LUMO (orbital molecular no ocupado más bajo) y HOMO (orbital molecular ocupado más alto) de los compuestos orgánicos empleados. Estos niveles LUMO y HOMO son análogos a las bandas de valencia y conducción en un semiconductor inorgánico. También, la movilidad de electrones y huecos o, en otras palabras, la rapidez de carga eléctrica por unidad de campo eléctrico aplicado, es otro factor muy importante para el óptimo funcionamiento de los OLEDs y las celdas OPVs. En general, los materiales orgánicos transportan preferentemente huecos o electrones con movilidades típicas de entre 10-2 y 10-9 cm2/Vs.
Dentro de los diversos diseños que se han empleado para incrementar la eficiencia de los OLEDs y OPVs, está el de utilizar capas múltiples de materiales orgánicos. Cada una de estas capas tiene una función específica dentro del dispositivo, por ejemplo, una capa es para inyectar cargas eléctricas, otra que es portadora de cargas y otras que son emisoras de luz. Las capas activas tanto en OLEDs y OPVs típicamente son de menos de 100 nanómetros. En la Fig. 4 b) la generación de carga eléctrica se asegura a través del volumen entero (heterounión de volumen: BHJ por sus siglas en inglés) de la película foto-activa reduciendo la recombinación de excitones e incrementado la eficiencia de conversión de luz solar.
3. GPOM y proyecto CONACyT-SENER
En el Grupo de Propiedades Ópticas de la Materia (GPOM), de la División de Fotónica en el Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) se ha consolidado en los últimos años una línea de investigación sobre fotónica y opto-electrónica basada en materiales orgánicos y sus aplicaciones. Esta línea de investigación ha sido producto del trabajo multidisciplinario e interinstitucional por medio de una estrecha colaboración con investigadores de distintos departamentos de química y ciencias de materiales ya que, a través del diseño, síntesis y modificación (ingeniería molecular) de diversas estructuras químicas, así como su caracterización eléctrico-mecánica, óptica y aplicaciones foto-electrónicas, se han logrado algunos resultados significativos que nos han dado experiencia para desarrollar celdas OPVs eficientes. Hasta donde sabemos, este grupo es a nivel nacional el que ha logrado mayores aportaciones científicas en el área de la fotónica y opto-electrónica orgánicas. Es en este sentido que en el GPOM-CIO, en conjunto con grupos de química y ciencias de materiales de distintas instituciones como la UNAM, el CINVESTAV-DF, la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), la Universidad Autónoma del Estado de México-UNAM (UAEMex-UNAM), la Universidad Autónoma de la Ciudad de México (UACM), la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEMor), etc., se realiza el diseño-síntesis de diversos compuestos así como estudios químicos, eléctricos, estructurales y ópticos sobre una variedad de nuevos materiales orgánicos fotónicos donde un uso en concreto es en la fabricación de celdas solares.
4. Conclusiones
En este trabajo se ha presentado una visión actual y general del desarrollo de las celdas solares basadas en materiales orgánicos. Este tipo de celdas generan energía eléctrica y conjuntamente con otras fuentes de energía renovables serán las fuentes de energía del futuro. Para sustituir las fuentes de energía no renovables se tendrá que recurrir a diversas tecnologías que satisfagan nuestras necesidades actuales de consumo energético. Las celdas OPVs pertenecen a una de esas tecnologías y actualmente buscan complementar y/o sustituir en lo posible el uso de la tecnología basada en materiales inorgánicos. Entre las ventajas de las celdas OPVs se tiene el poder tener un costo menor en la producción de energía ya que no se requiere de laboratorios sofisticados, de alto costo y de mantenimiento elevado; asimismo, generar menor cantidad de contaminantes durante su producción. Para un mayor éxito de las celdas OPVs es necesario, aparte de la
búsqueda de una mayor eficiencia de conversión, el de incrementar su tiempo de vida y el de tener una tecnología adecuada para el almacenamiento de la energía eléctrica producida.
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