Entrevista: ¿Cómo podemos obtener energía más barata del sol?

La nanotecnología ofrece nuevas maneras para hacer que el costo de la energía solar sea económico. La siguiente es una entrevista a la Dra. Hele Savin, Científica Joven del Foro Económico Mundial, en la cual nos habla sobre cómo este avance está cambiando la industria energética, así como de las ventajas y frustraciones de trabajar de cerca con dicha industria.

Usted está trabajando en investigaciones para mejorar la eficiencia de las células fotovoltaicas, haciendo posible generar electricidad del sol de una manera más económica. ¿Cómo se logra eso?

La mayoría de las células fotovoltaicas están hechas de silicio. Esta es una materia prima relativamente barata, pues proviene de las rocas y la arena, pero siempre tiene muchas impurezas. Purificarlo es muy caro, y es imposible lograrlo de manera absoluta. Lo que nosotros estamos tratando de hacer es lograr que las células fotovoltaicas funcionen mejor con niveles de impurezas más elevados usando la nanotecnología para manipular los defectos del silicio.

Entre más sucio esté el silicio que se pueda usar en las células FV más barato será producirlas.

Sin tener que entrar mucho en los aspectos técnicos, ¿nos puede explicar cómo es posible usar la nanotecnología para manipular los defectos del silicio?

Estos son un par de ejemplos. Una de las hipótesis en las que estamos trabajando proviene de mi formación en ingeniería electrónica, donde las impurezas de cobre en el silicio pueden ser extremadamente dañinas para el funcionamiento de transistores y sensores. Mi trabajo anterior en microelectrónica trataba de abordar este problema usando luz para hacer que los defectos de cobre en el silicio fueran electrónicamente activos.

Sospechamos que la reacción entre la luz solar y las impurezas del cobre en el silicio puede ser una razón por la cual las células FV pierden parte de su eficiencia con el tiempo: el cobre comienza a moverse y a formar aglomeraciones, degradando el desempeño de la célula. Estamos tratando de abordar eso al usar una carga negativa en la superficie del silicio para atraer los iones de cobre, lo cual debería detener las aglomeraciones.

Otra cosa que estamos haciendo es manipular la superficie del silicio para minimizar el reflejo de la luz solar; es obvio que, entre más luz solar se refleje, menos luz habrá para convertirla en electricidad. Por cierto, en lugar de las células FV familiares de color azul, esto hace que se vuelvan completamente negras.

Y, en términos de eficiencia, ¿qué beneficio están logrando?

En la actualidad estamos aproximadamente a 20% de eficiencia. Pero la verdad es que ésa es la pregunta equivocada. No tiene sentido hablar sobre la eficiencia sin considerar también el costo de la manufactura.

Por ejemplo, en la actualidad el récord mundial de las tecnologías fotovoltaicas es de 44.7% de eficiencia, pero ésta es completamente distinta a la tecnología con la que yo estoy trabajando: utiliza muchos niveles de materiales, uno encima de otro, y cada uno absorbe la luz a longitudes de onda diferentes. Así que es mucho más eficiente, pero también es mucho más cara.

Habrá algunas aplicaciones en las que el equilibrio del gasto y la eficiencia sea el que uno necesite: por ejemplo, donde se cuente con un área pequeña para generar electricidad. Pero donde haya superficies más grandes donde trabajar, tiene más sentido cubrirlas con células que sean de alguna manera menos eficientes pero mucho más baratas. El referente son los euros por watt o los dólares por watt.

Y, como con su trabajo para reducir la aglomeración de cobre, retener la eficiencia con el tiempo también debe ser algo importante.

Sí: pero, a pesar de que estamos trabajando en la estabilidad, las células FV ya son de hecho bastante estables. Uno puede obtener de 30 a 40 años de las tecnologías actuales, y en la mayoría de los casos seguirán siendo funcionales después de más de 50 años.

En la actualidad otros investigadores están trabajando en tipos alternativos de tecnología FV, en base a materiales orgánicos, que son extremadamente baratos, pero cuya durabilidad es el factor limitante: duran sólo cuestión de días, o a lo mucho algunos meses. ¿Quién sabe si se podrá aumentar su vida en el futuro? Pero, mientras tanto, el silicio es la tecnología dominante para lograr un equilibrio óptimo entre el costo de manufactura, la durabilidad y la eficiencia.

¿Qué tan de cercana es la colaboración de su investigación con la industria?

La colaboración es muy cercana, lo cual es un beneficio y una frustración a la vez. Es un beneficio porque podemos probar nuestras ideas inmediatamente a escala industrial. Obviamente, los fabricantes con los que estamos trabajando están ansiosos de poder tener cualquier ventaja sobre sus competidores a la mayor brevedad posible, así que podemos comenzar a probar nuestras hipótesis rápidamente y ampliar las ideas que funcionan.

Para una académica, eso es muy motivante y gratificante. Cuando una está trabajando en algo muy nuevo y experimental, pueden pasar años antes de que haya siquiera una posibilidad de comercialización. Pero con nuestro trabajo, podemos verlo entrar al mercado muy rápido.

Trabajar de cerca con los fabricantes también es bastante útil en términos de poder obtener comentarios sobre lo que es o no es factible a escala industrial. Por ejemplo, algunos de los procesos que se usan para atender las impurezas del silicio involucran el uso de gases tóxicos, a los cuales queremos encontrar una alternativa. Los fabricantes nos informan de inmediato si algo que funciona en el laboratorio también será posible usarlo en una fábrica. Y ellos pueden evaluar los costos mucho más fácilmente que nosotros.

¿Y la frustración?

La frustración se da debido a que no podemos hacer nuestros descubrimientos públicos. Como académica, una siempre tiene el ideal de poder publicar, de hacer que el conocimiento esté al alcance de todos para poder hacer del mundo un lugar mejor. Pero obviamente los fabricantes que nos proporcionan los fondos prefieren quedarse con la información de los avances.

Así que siempre tenemos que encontrar un equilibrio. En ocasiones es posible patentar los descubrimientos, pero a menudo lo que descubrimos son mejoras en el proceso de producción más que el producto en sí. Y esas son cosas que los fabricantes que nos proporcionan los fondos no quieren patentar porque sería imposible entrar a las fábricas de sus competidores para verificar si no están violando el patente, lo que sí se puede hacer al observar sus productos. Así que, en estos casos, el conocimiento es privado, como un secreto comercial.

¿No hay potencial para encontrar un modelo para obtener fondos por medio del cual este tipo de investigación sea financiado por un grupo de la industria que incluya a una amplia gama de fabricantes, con el acuerdo de que los hallazgos se vuelvan conocimiento público?

Esa sería una situación ideal, y algo que las universidades están intentando lograr. Pero la industria FV es tan competitiva que, con unos márgenes tan estrechos, sería un gran reto lograr una coalición de todos los fabricantes.

¿Cuál es el papel del gobierno en la tecnología solar?

Creo que el papel más útil que el gobierno puede desempeñar es que las personas en posición de tomar decisiones tengan acceso a la información más actual. Algunos países hacen esto mucho mejor que otros. En Alemania, por ejemplo, es fácil volverse productor de energía solar. En otros países, obtener la información es más difícil y hay mucha burocracia.

Qué tipo de tecnología solar es apropiada difiere ampliamente entre países y aplicaciones, y la investigación académica puede ser tan especializada que es difícil que las personas ajenas al medio tengan una buena idea de cuáles son sus opciones. Esa es una valiosa contribución de los eventos del Foro Económico Mundial, ya que en general carecemos de foros donde los científicos puedan entablar un diálogo con los políticos.

Por último, ¿el futuro de la generación de energía solar yace primordialmente en los propietarios de casa que coloquen células FV en sus techos o en plantas de microenergía que sirvan a comunidades o en vastas instalaciones en desiertos que sean capaces de suministrar energía a naciones enteras?

En todo eso, y cada uno tiene su lugar. En muchos lugares el precio de la energía solar ya compite con las maneras de generar electricidad en base a combustible fósil, y todavía hay bastante espacio para que los investigadores logren avances en varias formas de tecnología FV. Es sólo cuestión de tiempo para que la energía solar tome la delantera en la producción de energía global.

La nanotecnología ofrece nuevas maneras para hacer que el costo de la energía solar sea económico. La siguiente es una entrevista a la Dra. Hele Savin, Científica Joven del Foro Económico Mundial, en la cual nos habla sobre cómo este avance está cambiando la industria energética, así como de las ventajas y frustraciones de trabajar de cerca con dicha industria.

Usted está trabajando en investigaciones para mejorar la eficiencia de las células fotovoltaicas, haciendo posible generar electricidad del sol de una manera más económica. ¿Cómo se logra eso?

La mayoría de las células fotovoltaicas están hechas de silicio. Esta es una materia prima relativamente barata, pues proviene de las rocas y la arena, pero siempre tiene muchas impurezas. Purificarlo es muy caro, y es imposible lograrlo de manera absoluta. Lo que nosotros estamos tratando de hacer es lograr que las células fotovoltaicas funcionen mejor con niveles de impurezas más elevados usando la nanotecnología para manipular los defectos del silicio.

Entre más sucio esté el silicio que se pueda usar en las células FV más barato será producirlas.

Sin tener que entrar mucho en los aspectos técnicos, ¿nos puede explicar cómo es posible usar la nanotecnología para manipular los defectos del silicio?

Estos son un par de ejemplos. Una de las hipótesis en las que estamos trabajando proviene de mi formación en ingeniería electrónica, donde las impurezas de cobre en el silicio pueden ser extremadamente dañinas para el funcionamiento de transistores y sensores. Mi trabajo anterior en microelectrónica trataba de abordar este problema usando luz para hacer que los defectos de cobre en el silicio fueran electrónicamente activos.

Sospechamos que la reacción entre la luz solar y las impurezas del cobre en el silicio puede ser una razón por la cual las células FV pierden parte de su eficiencia con el tiempo: el cobre comienza a moverse y a formar aglomeraciones, degradando el desempeño de la célula. Estamos tratando de abordar eso al usar una carga negativa en la superficie del silicio para atraer los iones de cobre, lo cual debería detener las aglomeraciones.

Otra cosa que estamos haciendo es manipular la superficie del silicio para minimizar el reflejo de la luz solar; es obvio que, entre más luz solar se refleje, menos luz habrá para convertirla en electricidad. Por cierto, en lugar de las células FV familiares de color azul, esto hace que se vuelvan completamente negras.

Y, en términos de eficiencia, ¿qué beneficio están logrando?

En la actualidad estamos aproximadamente a 20% de eficiencia. Pero la verdad es que esa es la pregunta equivocada. No tiene sentido hablar sobre la eficiencia sin considerar también el costo de la manufactura.

Por ejemplo, en la actualidad el récord mundial de las tecnologías fotovoltaicas es de 44.7% de eficiencia, pero esta es completamente distinta a la tecnología con la que yo estoy trabajando: utiliza muchos niveles de materiales, un encima de otro, y cada uno absorbe la luz a longitudes de onda diferentes. Así que es mucho más eficiente, pero también es mucho más cara.

Habrá algunas aplicaciones en las que el equilibrio del gasto y la eficiencia sea el que uno necesite: por ejemplo, donde se cuente con un área pequeña para generar electricidad. Pero donde haya superficies más grandes donde trabajar, tiene más sentido cubrirlas con células que sean de alguna manera menos eficientes pero mucho más baratas. El referente son los euros por watt o los dólares por watt.

Y, como con su trabajo para reducir la aglomeración de cobre, retener la eficiencia con el tiempo también debe ser algo importante.

Sí: pero, a pesar de que estamos trabajando en la estabilidad, las células FV ya son de hecho bastante estables. Uno puede obtener de 30 a 40 años de las tecnologías actuales, y en la mayoría de los casos seguirán siendo funcionales después de más de 50 años.

En la actualidad otros investigadores están trabajando en tipos alternativos de tecnología FV, en base a materiales orgánicos, que son extremadamente baratos, pero cuya durabilidad es el factor limitante: duran sólo cuestión de días, o a lo mucho algunos meses. ¿Quién sabe si se podrá aumentar su vida en el futuro? Pero, mientras tanto, el silicio es la tecnología dominante para lograr un equilibrio óptimo entre el costo de manufactura, la durabilidad y la eficiencia.

¿Qué tan de cercana es la colaboración de su investigación con la industria?

La colaboración es muy cercana, lo cual es un beneficio y una frustración a la vez. Es un beneficio porque podemos probar nuestras ideas inmediatamente a escala industrial. Obviamente, los fabricantes con los que estamos trabajando están ansiosos de poder tener cualquier ventaja sobre sus competidores a la mayor brevedad posible, así que podemos comenzar a probar nuestras hipótesis rápidamente y ampliar las ideas que funcionan.

Para una académica, eso es muy motivante y gratificante. Cuando una está trabajando en algo muy nuevo y experimental, pueden pasar años antes de que haya siquiera una posibilidad de comercialización. Pero con nuestro trabajo, podemos verlo entrar al mercado muy rápido.

Trabajar de cerca con los fabricantes también es bastante útil en términos de poder obtener comentarios sobre lo que es o no es factible a escala industrial. Por ejemplo, algunos de los procesos que se usan para atender las impurezas del silicio involucran el uso de gases tóxicos, a los cuales queremos encontrar una alternativa. Los fabricantes nos informan de inmediato si algo que funciona en el laboratorio también será posible usarlo en una fábrica. Y ellos pueden evaluar los costos mucho más fácilmente que nosotros.

¿Y la frustración?

La frustración se da debido a que no podemos hacer nuestros descubrimientos públicos. Como académica, una siempre tiene el ideal de poder publicar, de hacer que el conocimiento esté al alcance de todos para poder hacer del mundo un lugar mejor. Pero obviamente los fabricantes que nos proporcionan los fondos prefieren quedarse con la información de los avances.

Así que siempre tenemos que encontrar un equilibrio. En ocasiones es posible patentar los descubrimientos, pero a menudo lo que descubrimos son mejoras en el proceso de producción más que el producto en sí. Y esas son cosas que los fabricantes que nos proporcionan los fondos no quieren patentar porque sería imposible entrar a las fábricas de sus competidores para verificar si no están violando el patente, lo que sí se puede hacer al observar sus productos. Así que, en estos casos, el conocimiento es privado, como un secreto comercial.

¿No hay potencial para encontrar un modelo para obtener fondos por medio del cual este tipo de investigación sea financiado por un grupo de la industria que incluya a una amplia gama de fabricantes, con el acuerdo de que los hallazgos se vuelvan conocimiento público?

Esa sería una situación ideal, y algo que las universidades están intentando lograr. Pero la industria FV es tan competitiva que, con unos márgenes tan estrechos, sería un gran reto lograr una coalición de todos los fabricantes.

¿Cuál es el papel del gobierno en la tecnología solar?

Creo que el papel más útil que el gobierno puede desempeñar es que las personas en posición de tomar decisiones tengan acceso a la información más actual. Algunos países hacen esto mucho mejor que otros. En Alemania, por ejemplo, es fácil volverse productor de energía solar. En otros países, obtener la información es más difícil y hay mucha burocracia.

Qué tipo de tecnología solar es apropiada difiere ampliamente entre países y aplicaciones, y la investigación académica puede ser tan especializada que es difícil que las personas ajenas al medio tengan una buena idea de cuáles son sus opciones. Esa es una valiosa contribución de los eventos del Foro Económico Mundial, ya que en general carecemos de foros donde los científicos puedan entablar un diálogo con los políticos.

Por último, ¿el futuro de la generación de energía solar yace primordialmente en los propietarios de casa que coloquen células FV en sus techos o en plantas de microenergía que sirvan a comunidades o en vastas instalaciones en desiertos que sean capaces de suministrar energía a naciones enteras?

En todo eso, y cada uno tiene su lugar. En muchos lugares el precio de la energía solar ya compite con las maneras de generar electricidad en base a combustible fósil, y todavía hay bastante espacio para que los investigadores logren avances en varias formas de tecnología FV. Es sólo cuestión de tiempo para que la energía solar tome la delantera en la producción de energía global.

Autor: Hele Savin es profesor asistente en el Departamento de Micro y Nanociencias de la Universidad Aalto, Finlandia. Imagen: REUTERS/Carlos Barria