La energía solar no deja de crecer en España. Tras añadir 7,7 gigavatios GW de potencia instalada en 2023, nuestro país se sitúa como el de mayor penetración teórica de la fotovoltaica del mundo, con una tasa del 21,1%, por delante de Países Bajos (20,5%) y Chile (19,5%). Estos datos del informe Instantánea de los mercados fotovoltaicos globales 2024, publicado por la Agencia Internacional de la Energía, consolidan el papel español en el despegue internacional de una tecnología en permanente evolución, como demuestran los avances para disparar su rendimiento sin tener que cambiar la instalación.

Además de las propias células fotovoltaicas, cada vez más eficientes gracias a materiales como la perovskita, uno de los elementos fundamentales a la hora de diseñar nuevos prototipos de placas solares es el vidrio que cubre su parte frontal. Este se encarga de proteger los componentes internos del panel y de preservarlos de las inclemencias meteorológicas, que pueden afectar gravemente a su rendimiento. Uno de los últimos avances en ese sentido proviene de una joven investigadora española, Cristina L. Pinto, que desarrolla su labor en el Centro Nacional de Energías Renovables (CENER).

El vidrio propuesto por Pinto y detallado en un artículo publicado en Energy Technology, contiene unas estructuras nanométricas (invisibles al ojo humano), que mejoran la eficiencia de los paneles, facilitan su limpieza y reducen los costes de mantenimiento. Este cristal se caracteriza por "no reflejar nada de luz, no ensuciarse y, si lo hace, limpiarse solo con gotas de agua, además de enfriarse en los días más soleados. Todo esto, garantizando una larga vida útil, ya que poseen una resistencia mejorada a la abrasión", asegura en su tesis doctoral, presentada recientemente en la Universidad Pública de Navarra (UPNA). 

Más eficaz y resistente

Aunque la mayoría de investigaciones en torno a la energía solar se centran en las propias células fotovoltaicas y su composición, son avances a largo plazo y no son la única la clave para mejorar su rendimiento. El sistema español para que las placas solares generen hasta un 80% más de energía a lo largo del año puede "maximizar la producción en horas donde a la fotovoltaica convencional le cuesta llegar" y demuestra que, a veces la mejor solución, no es la más evidente.

En el caso de Cristina L. Pinto, su investigación desarrollada en el Cener se centró en el vidrio que recubre los paneles. Este no sólo tiene una función protectora, sino que también debe aportar rigidez y estabilidad estructural al conjunto y proporcionar una alta transparencia, para que la producción eléctrica sea la máxima posible.

"Busca en lo profundo de la naturaleza, y entonces lo entenderás todo". Esta cita de Albert Einstein se puede leer en su tesis, y es lo que llevó a Pinto a buscar inspiración en las hojas del loto y en la mariposa Geta Oto, cuyas alas son transparentes porque tiene unos nanoconos en su estructura.

A la hora de diseñar estos cristales, hay que tener en cuenta cómo la luz se refleja en ellos, ya que eso perjudica su eficiencia y rendimiento: al rebotar en el vidrio, parte de los rayos solares no alcanzan las células fotovoltaicas y, por tanto, no producen energía. También es la superficie en la que se acumula el polvo y la suciedad, que pueden llegar a bloquear la entrada de luz y obligan a un mantenimiento constante, aunque ya existen soluciones para mantener limpias las placas solares de forma automática.

Con todo eso en mente, Pinto ha invertido tres años de investigación en "diseñar, simular, fabricar y testear diferentes tipos de estructuras hasta llegar a las óptimas". Así, el vidrio que mejores resultados ha cosechado contiene estructuras jerárquicas compuestas por microcilindros y cubiertas por nanoconos aleatorios.

Para ello, según detalla la investigadora a EL ESPAÑOL - Omicrono "se utiliza un equipo que se llama RIE (siglas en inglés de ataque iónico reactivo). Para quitar el óxido de los metales, los bombardean con una pistola de arena. Esto es similar, pero en vez de utilizar arena se usan iones". Primero se mete el vidrio en una cámara, se hace el vacío, se introducen unos gases y por una diferencia de potencia se ionizan y se aceleran hacia el cristal. Estos bombardeos contínuos y las características de los componentes del cristal hacen que se formen estas estructuras, los nanoconos.

"De este modo, se consigue minimizar la reflexión, disminuir la adherencia del polvo y la temperatura de operación, y mejorar su capacidad de autolimpieza. Además, al no añadir ningún recubrimiento externo, la resistencia a la abrasión supera a las soluciones comerciales", indica la investigadora navarra en un comunicado de prensa de la UPNA.

Así, en lugar de añadir una superficie antirreflectante, algo que ya hacen distintos fabricantes, Pinto ha creado un cristal que evita la reflexión de la luz sin ninguna capa añadida. "Los nanoconos fabricados en el vidrio generan una transición gradual del índice de refracción desde el aire hasta el vidrio y minimizan así la luz reflejada", señala. 

Ahora el principal desafío es escalar esta tecnología para poder fabricar vidrios del tamaño necesario para los paneles. "El RIE más grande que existe es el nuestro, que permite fabricar vidrios de 20 x 20 cm. Por eso, para poder producirlo a gran escala, primero necesitamos que alguna empresa fabrique un equipo más grande y así aplicarlo a placas solares del tamaño habitual". 

Antisuciedad y autolimpieza

Uno de los peores enemigos de los paneles solares, además de los pájaros y sus excrementos, es la acumulación de polvo y otras partículas, que inciden directamente en una pérdida notable en su eficiencia, de entre el 0,5% y el 63% según los experimentos llevados a cabo en los últimos años. Las cifras más preocupantes se dan en países con pocas precipitaciones, como España, lo que obliga a los propietarios a limpiarlos regularmente o a contratar a profesionales para que lo hagan en lugares de difícil acceso y con riesgos laborales asociados como son los tejados de las casas.

Hay soluciones automatizadas, capaces de limpiarlas de forma autónoma y sin agua, pero implican un desembolso extra y están pensadas para grandes instalaciones. Por eso es tan prometedora la investigación de Pinto, porque su vidrio también cuenta con propiedades antisuciedad y autolimpieza. "Las nanoestructuras aumentan la distancia entre la base de la superficie del vidrio y la de polvo y disminuyen drásticamente las fuerzas que gobiernan la adherencia", explica.

Para comprobarlo, la investigadora utilizó tres métodos de medición diferentes, todos con resultados similares: el ritmo de ensuciamiento de los módulos fotovoltaicos se redujo aproximadamente en un 50%, algo que puede marcar un antes y un después en los futuros paneles.

A eso hay que añadir la capacidad de autolimpieza de este vidrio. Gracias a su peculiar configuración, permite que las tareas de mantenimiento sean mucho más rápidas y sencillas, además de un considerable ahorro de agua: "cuando una gota de agua cae en el vidrio, esta se esparce recogiendo toda la suciedad que pueda haber en el módulo". La inclinación habitual de las placas, entre 20 y 40 grados, permite que la gota resbale y se lleve consigo la suciedad.

No son las únicas mejoras con respecto a las placas solares convencionales. El otro gran punto a favor del vidrio desarrollado por la investigadora española es la durabilidad. "Las pruebas de abrasión muestran que estas estructuras superan significativamente a los recubrimientos convencionales, con solo un ligero deterioro del 1% después de 500 ciclos de abrasión con arena, en comparación con entre un 2,5% y un 3% en otros recubrimientos comerciales", asegura en su tesis doctoral.

Por último, la otra mejora que afecta al rendimiento de los paneles solares tiene que ver con la gestión de la temperatura. El excesivo calor puede afectar muy negativamente a la producción de energía, ya que las placas pueden perder hasta un 15% de eficiencia, sobre todo en verano y en países cálidos como España.

Los microcilindros del nuevo cristal desarrollado por Pinto evitan el efecto invernadero, habitual en los paneles convencionales. "Todo el calor que generan las células solares es absorbido por el vidrio y este, a su vez, lo emite en todas las direcciones, enfriando las células". Gracias a esta configuración se ha conseguido disminuir la temperatura hasta en 2,5 ºC en días soleados, "lo que aumenta la producción eléctrica del módulo".

De momento resulta difícil saber hasta qué punto esta combinación de propiedades puede mejorar la eficiencia total de las placas solares, pero los primeros resultados son muy prometedores. "En Pamplona comprobamos que en diciembre se conseguía un 5% de más eficiencia sólo con la antirreflejancia, sin tener en cuenta otras propiedades como la antisuciedad. Para países como Arabia Saudí, donde hay tanto polvo en suspensión, la suciedad puede provocar una pérdida de eficiencia de hasta un 20%. Gracias a las propiedades de este vidrio, anualmente el aumento de la eficiencia podría superar el 7%", concluye Pinto.