Unos investigadores desarrollan una técnica de fabricación escalable para producir células solares ultrafinas y ligeras que pueden añadirse sin problemas a cualquier superficie.
Ingenieros del MIT han desarrollado unas células solares de tela ultraligera que pueden convertir rápida y fácilmente cualquier superficie en una fuente de energía.
Estas células solares duraderas y flexibles, mucho más finas que un cabello humano, están pegadas a un tejido resistente y ligero, lo que facilita su instalación en una superficie fija. Pueden proporcionar energía sobre la marcha como un tejido de energía portátil o ser transportados y desplegados rápidamente en lugares remotos para la asistencia en situaciones de emergencia. Pesan una centésima parte que los paneles solares convencionales, generan 18 veces más energía por kilogramo y se fabrican con tintas semiconductoras mediante procesos de impresión que pueden ampliarse en el futuro a la fabricación de grandes superficies.
Al ser tan finas y ligeras, estas células solares pueden laminarse sobre superficies muy diversas. Por ejemplo, podrían integrarse en las velas de un barco para suministrar energía en alta mar, adherirse a tiendas de campaña y lonas que se despliegan en operaciones de recuperación de catástrofes, o aplicarse a las alas de drones para ampliar su autonomía de vuelo. Esta tecnología solar ligera puede integrarse fácilmente en entornos construidos con necesidades de instalación mínimas.
«Los parámetros usados para evaluar una nueva tecnología de células solares suelen limitarse a su eficiencia de conversión de energía y su coste en dólares por vatio. Igual de importante es la integrabilidad, es decir, la facilidad de adaptación de la nueva tecnología. Los tejidos solares ligeros permiten la integrabilidad, lo que da impulso al trabajo actual. Nos esforzamos por acelerar la adopción de la energía solar, dada la urgente necesidad actual de desplegar nuevas fuentes de energía sin carbono», afirma Vladimir Bulović, titular de la Cátedra Fariborz Maseeh de Tecnologías Emergentes, jefe del Laboratorio de Electrónica Orgánica y Nanoestructurada (ONE Lab), director de MIT.nano y autor principal de un nuevo artículo en el que se describe el trabajo.
Junto a Bulović, son coautores Mayuran Saravanapavanantham, estudiante de postgrado de Ingeniería Eléctrica e Informática del MIT, y Jeremiah Mwaura, investigador científico del Laboratorio de Investigación Electrónica del MIT. La investigación se publica hoy en Small Methods.
Energía solar reducida
Las células solares de silicio tradicionales son frágiles, por lo que deben estar envueltas en vidrio y embaladas en pesados y gruesos marcos de aluminio, lo que limita dónde y cómo pueden desplegarse.
Hace seis años, el equipo de ONE Lab fabricó células solares mediante una nueva clase de materiales de película fina tan ligeros que podían colocarse encima de una pompa de jabón. Pero estas células solares ultrafinas se fabricaban mediante complejos procesos al vacío, que pueden resultar caros y difíciles de ampliar.
En este trabajo, se propusieron desarrollar células solares de película fina totalmente imprimibles, utilizando materiales basados en tinta y técnicas de fabricación escalables.
Para fabricar las células solares, se usan nanomateriales en forma de tintas electrónicas imprimibles. Trabajando en la sala blanca del MIT.nano, recubren la estructura de la célula solar con un recubridor de ranura, que deposita capas de los materiales electrónicos sobre un sustrato preparado y liberable de sólo 3 micras de grosor. Mediante serigrafía (una técnica similar a la de los diseños que se añaden a las camisetas serigrafiadas), se deposita un electrodo sobre la estructura para completar el módulo solar.
A continuación, los investigadores pueden despegar el módulo impreso, de unas 15 micras de grosor, del sustrato de plástico, formando un dispositivo solar ultraligero.
Pero estos módulos solares tan finos y autónomos son difíciles de manejar y pueden romperse con facilidad, lo que dificultaría su despliegue. Para resolver este problema, el equipo del MIT buscó un sustrato ligero, flexible y resistente al que pudieran adherirse las células solares. Identificaron los tejidos como la solución óptima, ya que proporcionan resistencia mecánica y flexibilidad con poco peso añadido.
Encontraron un material ideal: un tejido compuesto que pesa sólo 13 gramos por metro cuadrado, conocido comercialmente como Dyneema, hecho de fibras tan resistentes que se emplearon como cuerdas para sacar del fondo del Mediterráneo el crucero hundido Costa Concordia. Añadiendo una capa de pegamento de curado ultravioleta, de solo unas micras de grosor, adhieren los módulos solares a láminas de este tejido. Se forma así una estructura solar ultraligera y mecánicamente robusta.
«Aunque podría parecer más sencillo imprimir las células solares directamente sobre la tela, esto limitaría la selección de posibles telas u otras superficies receptoras a las que son química y térmicamente compatibles con todos los pasos de procesamiento necesarios para fabricar los dispositivos. Nuestro planteamiento desvincula la fabricación de las células solares de su integración final», explica Saravanapavanantham.
Superar a las células solares convencionales
Cuando probaron el dispositivo, los investigadores del MIT descubrieron que podía generar 730 vatios de potencia por kilogramo cuando estaba independiente y unos 370 vatios por kilogramo si se desplegaba sobre el tejido Dyneema de alta resistencia, lo que supone una 18 veces más potencia por kilogramo que las células solares convencionales.
«Una instalación solar típica en un tejado de Massachusetts es de unos 8.000 vatios. Para generar esa misma cantidad de energía, nuestro tejido fotovoltaico sólo añadiría unos 20 kilogramos (44 libras) al tejado de una casa», afirma.
También probaron la durabilidad de sus dispositivos y descubrieron que, incluso después de enrollar y desenrollar un panel solar de tela más de 500 veces, las células seguían conservando más del 90% de su capacidad inicial de generación de energía.
Aunque sus células solares son mucho más ligeras y flexibles que las tradicionales, tendrían que estar recubiertas de otro material para protegerlas del medio ambiente. El material orgánico a base de carbono usado para fabricar las células podría modificarse al interactuar con la humedad y el oxígeno del aire, lo que podría deteriorar su rendimiento.
«Encerrar estas células solares en vidrio pesado, como es habitual con las células solares de silicio tradicionales, minimizaría el valor del avance actual, por lo que el equipo está desarrollando actualmente soluciones de embalaje ultrafinas que sólo aumentarían fraccionalmente el peso de los dispositivos ultraligeros actuales», afirma Mwaura.
«Estamos trabajando para eliminar la mayor cantidad posible de material no solarmente activo y, al mismo tiempo, conservar el factor de forma y el rendimiento de estas estructuras solares ultraligeras y flexibles. Por ejemplo, sabemos que el proceso de fabricación puede agilizarse aún más imprimiendo los sustratos liberables, de forma equivalente al proceso usado para fabricar las demás capas de nuestro dispositivo. Esto aceleraría la traslación de esta tecnología al mercado», añade.
Esta investigación está financiada, en parte, por Eni S.p.A. a través de la Iniciativa de Energía del MIT, la Fundación Nacional de la Ciencia de Estados Unidos y el Consejo de Investigación en Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá.
Fte. MIT News Office
