nanotectonogía y energía solar

Ninguna fuente de poder renovable tienen tanto potencial teórico como la energía solar. Pero la promesa de energía solar barata y abundante no se ha cumplido, en mucho porque hacer las células solares de hoy tiene un costo muy alto.

Las células fotovoltaicas utilizan semiconductores para convertir la energía de la luz en corriente eléctrica. El material fotovoltaico, la silicona, ejecuta esta conversión bastante eficientemente, pero las células de silicona son relativamente costosas de manufacturar. Algunos otros semiconductores, que pueden ser depositados en delgadas películas, han llegado al mercado, pero aunque son más económicos, su eficiencia no se puede comparar con la silicona.

Una nueva solución puede estar fabricándose: algunos químicos creen que los puntos cuánticos –diminutos cristales de semiconductores de algunos nanometros de ancho- podrían al fin hacer que el poder solar sea costo-competitivo con electricidad de combustión fósil.

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Por su tamaño, los puntos cuánticos tienen habilidades únicas para interactuar con la luz. En silicona, un fotón de luz libera un electrón desde su orbita atómica. A finales de 1990, Arthur Nozik, investigador del Laboratorio de Energía Renovable Nacional de Colorado, EE UU, postuló que los puntos cuánticos de ciertos materiales semiconductores podrían liberar dos o más electrones cuando impactados por fotones de alta energía, como los que se encuentran al final del espectro azul y ultravioleta.

En 2004, Víctor Klimov, del Laboratorio Los Álamos de Nuevo México, dio la primera prueba experimental de que Nozik tenía razón; el año pasado demostró que los puntos cuánticos de selenita de plomo podían producir hasta siete electrones por fotón cuando expuestos a luz ultravioleta de alta energía. El equipo de Nozik pronto demostró el efecto en los puntos hechos de otros semiconductores, como sulfuro de plomo y telurio de plomo.

Estos experimentos no han producido aún un material apropiado para la comercialización, pero sugieren que los puntos cuánticos podrían incrementar algún día la eficiencia de convertir la luz solar en electricidad. Y debido a que los puntos cuánticos pueden hacerse simplemente utilizando reacciones químicas, también pueden hacer células solares muchos menos costosos.

Los investigadores de Nozik, cuyos resultados aún no se han hecho públicos, demostraron recientemente el efecto extra-electrón en los puntos cuánticos hechos de silicona; estos puntos serían mucho menos costosos de incorporar en células solares que en las largas hojas cristalinas de silicona que se utilizan hoy.

Hasta la fecha, el efecto extra-electrón ha sido visto sólo en puntos cuánticos aislados; en los primeros dispositivos-prototipos fotovoltaicos no se utilizaron puntos cuánticos. El problema es que en una célula solar funcionando, los electrones deben viajar fuera del semiconductor y adentrarse en un circuito eléctrico externo. Algunos de los electrones liberados en cualquier célula fotovoltaica se "pierden" inevitablemente, y son recapturados por "huecos" positivos en el semiconductor. En los puntos cuánticos, esta captura sucede mucho más rápido que en pedazos de semiconductor más grandes; muchos de los electrones liberados son inmediatamente absorbidos.

Hasta el momento el mejor punto cuántico solar ha logrado 2% de eficiencia, mucho menos de la necesaria para un dispositivo práctico. Sin embargo, se espera incrementar la eficiencia modificando las superficies de los puntos cuánticos o mejorando el transporte de electrones entre puntos.

El proyecto podría no resultar, pero el enorme potencial de los nanocristales persiste, ya que se calcula que un dispositivo fotovoltaico basado en puntos cuánticos podría tener una eficiencia máxima de 42%, mucho mejor que la eficiencia máxima de silicona que es 32%.

Los puntos cuánticos son de manufacturación barata, y pueden hacer su trabajo en combinación con materiales como conductores polímeros, que también son de producción barata. Un punto polímero cuántico funcionando podría colocar eventualmente a la electricidad solar en una posición económica igual a la electricidad del carbón. Si esto pudiera hacerse, sería revolucionario. Una célula comercial de punto cuántico solar está aún años de distancia, asumiendo que sea posible. Pero si lo es, ayudaría a superar el presente de combustibles fósiles.