La Universidad de Málaga participa en una investigación clave para la energía solar

Rocío Ponce y Juan T. López Navarrete colaboran en el equipo de Tobin J. Marks, premio Príncipe de Asturias en 2008 y referente mundial en electrónica orgánica y catálisis.

La revista de divulgación científica de la UMA, Uciencia, se hace eco en su último número de una investigación en la que participan dos profesores del departamento de Química Física y que sienta las bases para revolucionar el campo de la energía solar. La investigación está liderada por el premio Príncipe de Asturias en 2008, Tobin J. Marks, de la Northwestern University (EE.UU.) y cuenta con la participación de investigadores de universidades de distintos países, entre los que se encuentran Juan Teodomiro López  Navarrate y Rocío Ponce. El trabajo trata de desarrollar polímeros que sean capaces de sustituir al silicio en la fabricación de placas solares para generar energía fotovoltaica. El objetivo final trata de desarrollar una tecnología que abarate de forma notable los procesos de generación energética y lograr que las células solares tengan propiedades físicas, como la maleabilidad y la transparencia, imposibles de lograr con el silicio.

Dentro de este trabajo conjunto, los investigadores de la UMA se han centrado en la elucidación estructural químico-cuántica del estudio, una aportación básica para guiar futuras mejoras de las células solares fabricadas con polímeros. Los polímeros son macromoléculas (generalmente orgánicas) formadas por la unión de unidades repetitivas llamadas monómeros. Son materiales muy comunes, tanto los naturales como los sintéticos. Entre los polímeros naturales se encuentran materiales tan cotidianos como el almidón, la celulosa, la seda, la lana o el ADN; mientras que entre los desarrollados en laboratorio también tenemos materiales tan habituales  en nuestra sociedad como el nailon, el PVC, el polietileno o la baquelita.

Los polímeros en general suelen ser malos conductores eléctricos y su uso más extendido en la industria eléctrica y electrónica es como materiales aislantes. De hecho las posibilidades de los polímeros como conductores de la electricidad no se descubrieron hasta mediados de la década de los 70. El primero en documentarlas fue Hideki Shirawaka, en el Instituto Tecnológico de Tokio, después de que una muestra de poliacetileno se contaminara de forma accidental con otras sustancias que modificaron las propiedades eléctricas del mismo. El químico neozelandés Alan MacDiarmid y el físico estadounidense Alan J. Heeger se interesaron por el descubrimiento de Shirawaka y entablaron una fructífera relación científica e investigadora que dio como resultado la publicación conjunta del artículo Síntesis de polímeros orgánicos conductores de la electricidad: derivados halógenos del poliacetileno (CH) n, en el Journal of Chemical Society en el verano de 1977.  La importancia de este descubrimiento les valió a los tres el Premio Nobel de Química en el año 2.000.

En la actualidad hay muchos grupos de investigación en todo el mundo que trabajan en este campo. Es uno de los temas calientes de la investigación del momento actual que ya da interesantes resultados en el laboratorio y que, en un plazo breve, puede revolucionar muchos procesos industriales y facilitar el uso de una tecnología barata y eficiente para la sociedad.

El grupo de investigación que lidera el profesor López Navarrete lleva más de 20 años trabajando con polímeros y oligomeros conductores en el campo de la electrónica y de la fotónica orgánica. El silicio es, de momento, el material más eficaz por su nivel de aprovechamiento de la energía solar recibida, pero su elevado precio está resultando un lastre para el despegue definitivo de esta energía limpia y renovable. Esta es, en parte, la causa por la que equipos de investigación como el grupo Espectroscopía Molecular de Materiales para Electrónica Orgánica de la UMA, trabajan en la búsqueda de alternativas orgánicas al silicio que logren acercarse a su potencial como captador de energía solar, tengan un coste más reducido e incorporen a las celdas propiedades como la maleabilidad y la transparencia. Pero la aplicación de los avances que se consigan se podrían aplicar a otros campos en los que hoy en día se utiliza el silicio, como la informática o la tecnología laser.

Para lograr este objetivo es preciso buscar nuevos materiales que permitan mejorar  la eficiencia de las células solares basadas orgánicas. La eficiencia de las células fotovoltaicas equipos depende fundamentalmente del factor de llenado y de la tasa de conversión de energía solar en energía eléctrica.  Los primeros resultados del trabajo, que ha sido publicado por la prestigiosa revista Nature Photonics, ha aumentado notablemente la eficiencia de las células solares basadas en materiales poliméricos. “La clave reside en el aumento del fill factor o factor de llenado, el cual es uno de los parámetros determinantes de la eficiencia del dispositivo. Con nuestra aproximación, hemos conseguido alcanzar valores de hasta el 80%, todo un avance teniendo en cuenta que hasta hace poco alcanzaba solo el 70%”, explica Rocío Ponce.

De momento la fabricación a gran escala de células solares de polímeros continúa sin ser rentable en términos económicos y energéticos, ya que aún mantienen una baja tasa de conversión de energía solar en energía eléctrica en comparación con el silicio (en torno al 25%, frente al 9% o 10% de los polímeros).  Aun así, para esta investigadora el futuro de la energía solar pasará por los semiconductores orgánicos: “Las ventajas de los polímeros son muchas”, señala. “Son materiales más económicos, fácilmente procesables y que permiten la modulación de sus propiedades electrónicas de forma sencilla. Estos materiales, depositados en plásticos, pueden llevar a la fabricación de dispositivos flexibles e incluso transparentes, lo que haría posible la colocación de células solares en las ventanas de nuestras casas sin perder visibilidad. Además los sistemas poliméricos permiten el uso de técnicas económicas, como la impresión en el proceso de fabricación, lo que abarata enormemente los gastos de procesado”.

Juan Teodomiro López Navarrete es catedrático del Departamento y Rocío Ponce es, desde el pasado mes de noviembre, investigadora Ramón y Cajal, lo que le permite dedicarse a esta línea de investigación durante los próximos 7 años. Esta investigación conjunta entre el equipo de la UMA y el  liderado por Tobin J. Marks comenzó con motivo de una beca postdoctoral Marie Curie de la doctora Ponce en la Northwestern University.

El artículo  «Polymer solar cells with enhanced fill factors». Nature Photonics 7 825-823 está firmado por los investigadores  Xugang Guo, Nanjia Zhou, Sylvia J. Lou, Jeremy Smith, Daniel B. Tice, Jonathan W. Hennek, Rocío Ponce Ortiz, Juan T. López Navarrete, Shuyou Li, Joseph Strzalka, Lin X. Chen, Robert P. H. Chang, Antonio Facchetti y Tobin J. Marks y está  disponible en línea: http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2013.207