UN POCO DE CIENCIA, POR FAVOR

El rey del mercado fotovoltaico: el silicio

Ignacio Mártil

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La energía está de moda. Las amenazas que representa el cambio climático, las propuestas de la UE para reducir drásticamente las emisiones de CO2 para 2030 o los acuerdos de la Cumbre del Clima de Paris de diciembre de 2015 −que tendrán su continuidad en la Cumbre del Clima de Katowice, que se celebra esta semana en esa ciudad polaca−, son elementos que, unidos a otros factores, hacen que nos hallemos inmersos en una auténtica transición energética, que también podría calificarse de revolución.

Uno de los protagonistas de este proceso es y será cada vez con mayor protagonismo, la energía solar fotovoltaica. El auge de esta fuente energética desde comienzos del presente siglo es sencillamente espectacular: primero en Europa, después en EEUU y en los últimos años, de manera abrumadora en China. Aunque hoy en día su participación en la producción de energía eléctrica en el mundo es muy reducida (apenas representa el 1.5 % del total), nadie duda de su relevancia y papel protagonista en el inmediato futuro.

Imagen tomada por satélite del huerto solar mayor del mundo en la actualidad, situado en Zhongwei, Ningxia, en la región autónoma de Mongolia, en China. Con 1.547 MW de potencia, ocupa una extensión de 43 km². A la instalación se la conoce como la “Gran Muralla Solar”. Fuente: Danny Scrivner, Pager Power, 27-mayo-2018  [1]

En varios artículos publicados en este blog, he descrito las bases científicas de esta fuente energética, así como algunas singularidadesdel mercado de los dispositivos fotovoltaicos. En este voy a analizar las capacidades y limitaciones de la tecnología dominante y las alternativas existentes a la misma.

1. El papel del silicio en el mercado fotovoltaico actual: ventajas

El mercado solar fotovoltaico está dominado abrumadoramente por las células solares de silicio, más del 95% de los módulos fotovoltaicos que se venden en la actualidad se fabrican con este semiconductor, lo que se debe a una confluencia de factores que concurren en este elemento químico:

1.1 Es el elemento sólido más abundante en la corteza terrestre, ya que cerca del 28% de la composición química de la misma es silicio, lo que se refleja en la siguiente figura que muestra la escasez/abundancia relativa de los diversos elementos de la Tabla periódica: 

El cubo de la figura representa la distribución de un millón de átomos, en las mismas proporciones que se encuentran en la corteza terrestre

1.2 La tecnología de fabricación de las células solares de silicio es muy madura, ya que es heredera directa de la tecnología microelectrónica, que ha propiciado la revolución silenciosa más importante del siglo XX, alumbrando lo que hoy conocemos como la sociedad de la información.

1.3 Las eficiencias de conversión de los módulos comerciales llegan a alcanzar valores homologados por encima del 22%, muy cercanas a las eficiencias de las células de laboratorio (récord mundial de 26.6%)

1.4 Fruto del espectacular avance habido en esta fuente de energía en la última década, el precio del vatio solar se sitúa hoy en el entorno de los 0.3 €/W, lo que la hace plenamente competitiva en costes con los combustibles fósiles.

De hecho, la “hoja de ruta” diseñada por los grandes fabricantes de módulos de silicio (ITRPV), prevé que esta tecnología continúe en expansión durante la siguiente década por lo menos, siendo además la tecnología hegemónica en los próximos años.

El siguiente vídeo muestra las diferentes fases de instalación del huerto solar situado en Social Circle, Georgia, EEUU. Tiene una potencia de 38.6 MW y emplea módulos de silicio:

2. Limitaciones del silicio como semiconductor para su uso en dispositivos fotovoltaicos

Sin embargo, la tecnología de los dispositivos basados en silicio tiene algunos problemas de calado, que incentiva la búsqueda de alternativas que permitan superarlos. Entre otras, las principales limitaciones a las que se enfrenta la tecnología de silicio son las siguientes:

2.1 El elevado coste energético de obtención del silicio de la calidad y pureza necesaria para fabricar células solares. El silicio se encuentra en la naturaleza en forma de compuestos (esencialmente SiO2), por lo que hay que separarlo y posteriormente purificarlo. Este proceso es muy costoso en términos energéticos, lo que dificulta y encarece el precio del producto final.

2.2 Desde el punto de vista estrictamente científico, el silicio no es el semiconductor más adecuado para obtener una óptima eficiencia de conversión de la energía solar en energía eléctrica. Esto se debe a una razón esencial: la mejor eficiencia se alcanza mediante la adecuada combinación entre la cantidad de corriente y de tensión que una célula solar genera; los valores de ambos factores son contrapuestos, ya que si genera mucha corriente, produce poca tensión y viceversa. Para que ambos factores sean óptimos, es preciso que el valor de un parámetro esencial del semiconductor, denominado “gap” de energía prohibida [2], este próximo a 1.5 eV; este parámetro en el silicio es de 1.12 eV, lo que limita su potencial de eficiencia.

2.3 Aunque en la actualidad las células solares de silicio dominan el mercado fotovoltaico mundial, su eficiencia de conversión de la energía solar en energía eléctrica durante los últimos 15 años apenas ha progresado desde el 25% al 26.6%, lo que significa que la industria está interesada en explorar alternativas, ya que esta tecnología está cerca de alcanzar su límite.

En un próximo artículo, analizaré las tecnologías alternativas al silicio que hoy en día han alcanzado desarrollo comercial, basadas en dos semiconductores diferentes: CdTe y CuInGaSe2. En definitiva, daré algunos detalles de quienes son los que aspiran a “destronar” al eterno Rey de la tecnología electrónica en general y de la fotovoltaica en particular desde hace varias décadas, el silicio.

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[1] Se puede ver con detalle la instalación a través de la aplicación Google Maps en las coordenadas: 37°33′00″N; 105°03′14″E

[2] El “gap” de energía prohibida es un concepto que proviene de la física cuántica. De una forma muy cualitativa, es la energía que hay que comunicar a los electrones ligados por los enlaces a los átomos que componen el semiconductor, para que puedan circular por este en presencia de un agente externo (un campo eléctrico, una diferencia de temperatura) que les permita moverse. Se mide en una unidad denominada electrón-voltio (eV), que es la energía que adquiere un electrón cuando se somete a una diferencia de potencial de un voltio.

EL MATERIAL DEL FUTURO

Descubierta una nueva propiedad del grafeno que revolucionará el mundo de la física.

·         Un equipo del MIT logra por primera que se convierta en superconductor

  

El grafeno, una malla de átomos de carbono, dispuestos en hexágonos.

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CRISTINA SÁEZ, Boston

Imagínese que pudiera cortar en láminas extremadamente finas, de tan solo un átomo de espesor, la viruta que se obtiene al sacarle punta a un lápiz. Si a continuación observara esas láminas al microscopio, vería una malla de átomos de carbono, dispuestos en hexágonos. Es el grafeno, un material bidimensional con unas propiedades asombrosas: además de ser el más fino que existe, muy ligero y flexible, a la vez que cientos de veces más duro que el acero y más conductivo que el cobre.

Ahora un equipo de científicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), en Cambridge (EE.UU.) liderado por el investigador valenciano Pablo Jarillo-Herrero, acaban de descubrir una nueva y fascinante propiedad de este supermaterial que podría revolucionar la física teórica.

Cuando colocan dos capas de grafeno, una sobre otra pero rotadas con el ángulo mágico (1,1 grados), el sistema que resulta actúa como los materiales superconductores no convencionales. (Yuan Cao y Pablo Jarillo-Herrero)

Han dispuesto dos láminas de grafeno, una encima de otra, pero no perfectamente alineadas, sino una de ellas girada con un ‘ángulo mágico’. En esa disposición exclusivamente los investigadores han visto que ese ‘sándwich’ de grafeno es capaz de conducir electrones sin resistencia. Es decir, se convierte en un superconductor, un material capaz de transportar electricidad sin pérdidas.

“Es la primera vez que se consigue este tipo de superconductividad en una estructura de este tipo, donde tienes una capa encima de otra, ninguna de las cuales es superconductora, y que simplemente por jugar con el ángulo de rotación aparece esta propiedad de la superconductividad. Es bastante extraordinario y no se había logrado nunca”, explica Jarillo-Herrero a Big Vang en una entrevista.

La superconductividad, una propiedad de algunos materiales que se descubrió hace alrededor de un siglo, podría revolucionar la trasmisión de energía, los sistemas de transporte e incluso los escáneres en medicina. De hecho, actualmente ya se emplean superconductores en los escáneres de resonancia magnética; o para crear campos magnéticos muy grandes, como en los aceleradores de partículas, apunta Àlvar Sànchez, físico del grupo de superconductividad de Universitat Autònoma de Barcelona (UAB).

Hasta el momento se conocían dos tipos de superconductores:

•   Convencionales, que son metales que han de enfriarse a temperaturas del cero absoluto.
•  No convencionales, que mayoritariamente no son buenos metales, y que pueden superconducir electricidad a una temperatura más elevada que los anteriores, aunque el mecanismo por el que funcionan es un enigma de la física.

El principal problema que presentan es que, para funcionar, necesitan hacerlo a muy bajas temperaturas, entre -273 y -140ºC, por lo que se debe dedicar mucha energía a refrigerarlos. De ahí que por el momento se utilicen de forma limitada.

No obstante, los resultados de Jarillo-Herrero y su grupo, que se recogen en dos artículos en Nature esta semana, podrían abrir la puerta a entender mejor cómo funcionan los superconductores no convencionales y dar un paso más hacia poder usarlos en el día a día a temperatura ambiente.

“El grafeno es un material muy particular en el que sus propiedades electrónicas cambian dependiendo del número de capas. Hasta hace poco siempre se usaban capas alineadas, hasta que unos investigadores se dieron cuenta de que no tenía por qué ser así y predijeron que si se rotaban las capas, eso daría lugar a un objeto inusual con unas propiedades muy especiales, puesto que los electrones se comportarían de forma distinta”, dice Jarillo-Herrero.

Este investigador y su grupo han descubierto que cuando se superponen las dos capas de grafeno con un ángulo de 1,1º, el ‘ángulo mágico’, como lo denominan en el trabajo, y las enfrían a 1,7 grados por encima del cero absoluto, tienen un comportamiento aislante: los electrones en esas capas interactúan de forma muy fuerte y no se mueven. Pero al inducir una pequeña densidad de carga eléctrica al estado aislante, el grafeno se vuelve superconductor de forma completamente controlada.

“Hemos comprobado que esta estructura de grafeno tiene propiedades extraordinarias, algunas estaban predichas y otras son inesperadas. La gran relevancia de estos artículos es que abre un nuevo campo de propiedades que antes no se conocían del grafeno”, considera Jarillo-Herrero. 

Aunque este descubrimiento está aún lejos de tener aplicaciones directas, para el investigador valenciano, “si llegamos a entender muy bien este fenómeno de la superconductividad no convencional, algún día podremos llegar a hacer superconductores a temperaturas más elevadas y, por tanto, que tengan aplicaciones más extendidas”.

·         El grafeno avanza...

Esta investigación, financiado por la Fundación Nacional para la Ciencia de los EEUU y la Fundación Gordon y Betty Moore, el Moore de la ley de Moore y fundador de Intel, es para el investigador Icrea Frank Koppens, físico del ICFO- Institut de Ciències Fotòniques experto en grafeno, “uno de los trabajos científicos más importantes que he visto en mi carrera como investigador. Han descubierto un nuevo tipo de superconductividad en un sistema totalmente controlable y además pueden pasar de aislante a superconductor de forma controlada. Es un nuevo tipo de física”.

FRANK KOPPENS-ICFO

Según este investigador, que no ha participado en ninguno de los dos estudios, “lo que limitaba a los superconductores hasta el momento era que no se entendía del todo cómo funcionaban y no se tenía el suficiente control. Esta es la primera vez que se crean casi desde cero, que los pueden controlar, encender y apagar. Tampoco nunca antes se había visto que se pudiera pasar de un aislante perfecto a un superconductor perfecto, algo que a priori parece contrario al sentido común”.

Para Sànchez, de la UAB, “estos resultados son muy interesantes porque han descubierto una nueva familia de superconductores en un sistema tan interesante como el grafeno. Y este nuevo sistema es un banco de pruebas para entender la física de los superconductores no convencionales, que se utilizan sin entender el mecanismo. Podría abrir la puerta a desarrollar desde sensores mucho más sensibles a ordenadores cuánticos”.

 ITER en su estado actual. El edificio redondo es el reactor

Público. MALEN RUIZ DE ELVIRA

           De un plácido paisaje de la Provenza francesa al atareadísimo escenario en el que se construye el gigantesco reactor de fusión nuclear ITER, el mayor proyecto de ciencia e ingeniería de la historia, que pretende demostrar que es posible obtener energía por el mismo proceso que funciona en las estrellas. Así ha transformado en pocos años la región cercana a Aix-en-Provence un proyecto que acaba de pasar el ecuador de su construcción, como han anunciado sus responsables.

         Es una apuesta arriesgada y a largo plazo, pero también es muy importante lo que se juega, y por ello participan en la iniciativa todas las potencias mundiales, a pesar de sus muchos desacuerdos en otros campos. Figuran como socios del ITER la Unión Europea (y, por tanto, España), Japón, Rusia, China, Estados Unidos, Corea del Sur e India. 

      

       Se trata de obtener energía eléctrica del calor producido por la fusión del hidrógeno, un combustible inagotable, en un proceso sin emisiones que contribuyan al cambio climático y con pocos residuos radiactivos. En Madrid, por ejemplo, bastaría con una sola planta de fusión de 2.000 megavatios para cubrir sus necesidades energéticas.

         Se considera que ITER es el proyecto científico más complejo de la historia y eso nadie lo pone en duda, porque cada uno de los socios está fabricando en su territorio partes de la máquina, que luego se tienen que ensamblar en la sede en Francia, en una parcela de 42 hectáreas. En total, se calcula que el conjunto del ITER constará de 10 millones de elementos.

       La noticia ahora es que en diciembre se consideró completado el 50% del total del trabajo de construcción necesario para el primer ensayo, llamado El Primer Plasma. Este ensayo está previsto para diciembre de 2025 e inaugurará los intentos de operar la compleja máquina, que es un reactor tipo tokamak en cuyo interior se calentará el hidrógeno (deuterio y tritio) hasta los 150 millones de grados, una temperatura diez veces superior a la del núcleo del Sol. A esa temperatura el combustible estará en forma de plasma, el cuarto estado de la materia y se producirían 500 megavatios de potencia térmica.

           El director general del ITER es el francés Bernard Bigot y ha señalado con motivo de este hito en la construcción que las apuestas son muy altas. “Cuando probemos que la fusión es una fuente de energía viable, con el tiempo reemplazará la quema de combustibles fósiles, que son no renovables y no sostenibles. La fusión complementará la energía eólica, la solar y otras formas de energía renovable”.

    ¿Optimismo o realismo? Después de 10 años de grandes dificultades, incluidos retrasos y sobrecostes, el proyecto parece ahora bien encarrilado, lo cual no quiere decir que sea un éxito a medio plazo. Su propia complejidad echa para atrás, pero quien no juega no gana. “Ningún país podría hacer esto por sí mismo. Todos estamos aprendiendo de todos, para el beneficio mutuo del mundo entero”, dice también Bigot.

       En el vocabulario del ITER, la construcción incluye el diseño, la fabricación de los componentes, la construcción de los edificios, el transporte y entrega, el montaje y la instalación. Todo ello está cambiando el panorama mundial de algunos productos. Para citar un único aunque muy importante ejemplo, el de los grandes imanes superconductores que trabajarán a 269 grados bajo cero y contendrán y controlarán el plasma en el reactor ITER, entre 2008 y 2015 se concertaron nueve suministradores de distintos países para fabricar más de 100.000 kilómetros de los cables superconductores de niobio y estaño que se enrollan en la estructura toroidal de los imanes. Antes del ITER se producían solo 15 toneladas anuales en todo el mundo de estos cables, y este único pedido supuso más de 500 toneladas en total.

        Eso no quiere decir que no sigan las dificultades. Europa, a pesar de la crisis, continúa costeando el 45% del proyecto, pero el Brexit dificultará la cooperación con Reino Unido, a pesar de quiere prolongar su participación. Por otra parte, Estados Unidos parece estar siempre con un pie fuera, sea quien sea el presidente del país, debido a que la participación se discute cada año en la aprobación anual de los presupuestos. Lo último respecto a EE UU es un informe de las academias nacionales de Ciencia, Ingeniería y Medicina totalmente favorable a permanecer en el ITER debido, entre otras cosas, a que en ese país apenas se realiza ahora investigación sobre fusión nuclear.

       El coste total del proyecto se estima en la actualidad en unos 18.000 millones de euros, pero más del 80% de esa inversión lo contribuyen los socios en forma de componentes que construye en su mayor parte su propia industria, lo que quiere decir que es una forma de financiar el desarrollo industrial y científico de los países implicados. Las empresas participantes, entre las que hay varias españolas, adquieren así nuevos conocimientos y experiencia en campos de gran importancia industrial, como la ciencia de materiales, la criogenia o la robótica, que dan lugar a aplicaciones innovadoras en áreas distintas de la energética. Es una inversión que se considera muy rentable a medio y largo plazo pero que, como siempre sucede en la política a corto plazo, se encuentra muchas veces en la cuerda floja por la tentación de recortar los gastos.

        El proyecto ITER incluye entre sus actividades un amplio programa de información y difusión, en parte porque no deja de ser una instalación nuclear. Para permitir que cualquier persona interesada lo conozca de cerca, existe un programa de visitas.