El gran reto de la fotovoltaica: crear un material resistente al Sol

La energía suele ser materia de estudio en la física, pero generarse en procesos químicos. Josef Michl se doctoró en química en Praga en 1965. En el año 1968 (de trágico y sangriento recuerdo por el aplastamiento de la Primavera de Praga por los tanques soviéticos) se mudó a la Universidad de Utah, donde hizo su trabajo postdoctoral. Ocho años después era catedrático en Austin, Texas. Y en 1991 se incorporó a la Universidad de Boulder, Colorado, a cuyo departamento de química sigue vinculado, trabajando en el área de 'física químico orgánica' y buscando nuevos materiales.

Su currículum de sabio es lo bastante extenso como para dejarlo en ese primer párrafo de condensación y añadir que es un experto en energía fotovoltaica. Trabaja para potenciarla con un concepto denominado "fisión singlete".

Michl conversó con INNOVADORES, aprovechando su paso por Madrid para hablar en la Fundación Areces sobre energías renovables y cambio climático. Su explicación del proceso fisión singlete, en la que entran conceptos que suenan a física cuántica, es lo bastante apabullante como para aplastar la capacidad de síntesis del periodista: "El material molecular absorbe un fotón de la luz y entra en un estado de excitación directa. Típicamente eso ocurre en moléculas orgánicas. El estado de excitación tiene las mismas propiedades de spin que el estado fundamental [el de más baja energía]. A eso se le llama singlete, y su excitación se puede transferir de una molécula a otra y ser compartida por varias moléculas".

Sin acabar de digerir el mensaje, Michl prosigue implacable: "En una célula solar [normal], esa excitación se transfiere hasta que llega a un interfaz entre dos tipos de materiales. Hoy en día la mayoría de las células son de silicio, probablemente el 90%, con dos capas alineadas de diferente tipo. El nivel de energía entre ambas es diferente, de manera que la excitación separa un electrón, que va hacia una de ellas, y un ‘hueco electrón', hacia la otra…". Los electrones se dirigen a los electrodos separados y así se genera electricidad en las placas actuales.

"En el negocio fotovoltaico es clave convertir en electricidad la mayor cantidad posible de la energía que llega del Sol. El máximo teórico para una célula solar sencilla como la que acabo de describir está en torno a un tercio", explica. "Esto es porque el Sol no envía luz de un solo color, sino que hay muchos, algunos de ellos invisibles, como el ultravioleta y el infrarrojo. La distribución de la radiación solar es muy ancha en el espectro. Un material como el silicio absorbe luz de onda larga, con fotones que poseen una energía en torno a 1,1 electrón-voltio (e-v), los fotones que tienen menos energía no pueden ser absorbidos. La célula solar es transparente para ellos como el cristal. Es parte de la energía que no podemos captar. Pero tampoco se convierte la de los fotones de energía superior. La suma de ambas pérdidas son esos dos tercios".

"Este límite, llamado de Shockley-Queisser [Shockley inventó el transistor], prácticamente ha sido alcanzado en las células sencillas. Ya se pueden comprar placas que rinden un 25%. Mejorarlo es muy costoso para muy poca diferencia", concluye, para explicar luego la solución que aporta su propuesta de fisión singlete.

"Si tienes una célula simple como la que hemos descrito, toda la energía que excede de 1.1 e-v se convierte en calor y se pierde así. En la fisión singlete, el material que se utiliza tiene la capacidad de absorber la energía más alta para generar el estado de excitación singlete y la divide en estados de excitación en dos moléculas diferentes. Y estas dos excitaciones tienen multiplicidad de triplete [otra vez asuntos cuánticos: un posible triple valor de spin], pero no creo que debamos entrar en detalles... Así, tienes dos moléculas en excitación y cada una de ellas, al llegar al interfaz de separación entre las dos placas, se separa en un electrón y un hueco electrón. Con un sólo fotón has logrados dos pares de 2.2 e-v, el doble de corriente".

Para aprovechar esta idea, concluye, "la jugada consiste en poner una capa de material capaz de generar fisión singlete, aprovechando la luz con energía de 2.2 e-v, y otra capa normal de silicio, debajo, para aprovechar la energía de 1.1 e-v. Y con esto ya puedes alcanzar un nuevo límite que es casi el 50%".

“La fision singlete puede ser una solución muy barata, sólo un poco más cara que lo actual, con una eficiencia significativamente mayor. Si no se puede comprar hoy en el supermercado es por un problema de materiales. Hay muy pocos que pueden servir. La mayoría son demasiado inestables. Los instalas en el tejado y algunos desaparecen en cuestión de horas, o días. Gran parte de la investigación se enfoca ahora a conseguir el mejor material [para construir las placas], que sea eficiente y no se deteriore con la luz del Sol o el contacto con la atmósfera”.