BIO-Células Fotovoltaicas

La UPM inventa la célula solar. Investigadores de la UPM han inventado la célula solar de banda intermedia, que refleja la revista Nature Photonics y que podría ser uno de los hallazgos más relevantes en el campo de la energía solar fotovoltaica. Han conseguido aumentar su eficacia de un 18-20 % de las células fotovoltaicas tradicionales hasta un 63%.

Este es solo uno de los muchos descubrimientos de los cuales se hace eco la prensa especializada y generalista en el campo de las células solares.

Este campo, a priori, pudiera parecer un poco fuera de juego en cuanto a la biotecnología, pero nada más lejos de la realidad ya que la investigación en células solares va desde la física y la electrónica hasta la biotecnología, donde la investigación en biocélulas solares, es decir, células solares “inteligentes” funcionalizadas con proteínas, es una de las líneas de vanguardia en este campo de la ciencia.

Qué son

En primer lugar hemos de distinguir entre célula solar y célula fotovoltaica.

La célula solar es un dispositivo semiconductor capaz de convertir los fotones (luz solar), en electricidad. Esta conversión se conoce con el nombre de efecto fotovoltaico.

Las células fotovoltaicas son las células que son capaces de convertir en electricidad los fotones provenientes del sol y de otras fuentes como por ejemplo una bombilla.

Cómo funcionan

Los fotones que “chocan” contra la célula son absorbidos por el material semiconductor que las forma, por ejemplo el silicio. Al chocar, los electrones salen despedidos de sus átomos respectivos, recorren el semiconductor y producen electricidad. Complementariamente a este efecto se crean los huecos que fluyen en dirección opuesta a la de los electrones. Estos huecos son de carga opuesta, es decir positiva, y son como “burbujas”.

Muchas células conectadas en entre sí dentro de un panel, lo que hacen es ir acumulando la energía de cada una dentro del panel. Esta energía puede entrar en un inversor, el cual convierte la corriente eléctrica continua en corriente alterna de 110 o 220 voltios apta para el uso doméstico.

A escala de parque fotovoltaico la energía de cada panel se suma y acumula, pero el procedimiento es el mismo.




Tipos de células fotovoltaicas

La clasificación de los diferentes tipos de células se basa en los materiales de los cuales están hechas y en la distribución de los mismos.

Materiales

Todas las células solares requieren de un material absorbente de luz capaz de atrapar los fotones y desplazar electrones. Los materiales usados en las células solares suelen estar diseñados para absorber la luz solar que llega a la superficie de la Tierra; sin embargo, hay células solares optimizadas para absorber longitudes de onda que no llegan a atravesar la atmósfera. Casi siempre son Germanio, Silicio y Galio . Estos pueden estar dispuestos bien en forma monocristalina, policristalina, amorfa o en bandas.

Una celda solar típica está compuesta de capas. Primero hay una capa de contacto posterior (6) y luego dos capas de material semiconductor ( 3,4) . En la parte superior se encuentra una capa de contacto frontal (2) con una capa antireflexión (3) que da a la celda solar su típico color azul.

1-Luz (fotones) ; 2- Contacto frontal; 3 – Capa negativa ; 4 – capa de desviación; 5 – Capa positiva ; 6 – Contacto posterior

Disposición de los materiales

Estos materiales pueden usarse en múltiples configuraciones físicas para absorber diferentes longitudes de onda produciendo la separación de cargas (electrones y huecos).

Una vez conocida la “tecnología solar” tradicional de forma somera, uno se pregunta tras leer el titulo del post… ¿y la biotecnología?

Es aquí donde entra la biotecnología, ya que actualmente se están implantando en estas células solares, casi siempre de silicio, proteínas funcionalizadas en su superficie. Se pretende que estas proteínas sean capaces de absorber la luz de forma más eficiente o incluso permitir que las células tengan propiedades similares al de algunas plantas, ejemplo de aprovechamiento solar donde los haya por parte de la naturaleza.



Por ejemplo, para mejorar la eficiencia de estas células solares se ha tratado de recubrirlas de diversos materiales obteniendo así células solares sensibilizadas por colorante o grätze. Para la producción de estas células se utiliza el dióxido de titanio, un material muy caro, que puede ser sustituido según investigaciones de un grupo sueco por un dispositivo fotovoltaico económico aprovechándose de una proteína de medusa, concretamente de la proteína verde fluorescente (green fluorescent protein, GFP) de la Aequorea Victoria.


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Imagen de placa fotovltaica de células Grätze

El proceso se inicia mediante el depósito de dos electrodos de aluminio con un pequeño espacio entre ellos sobre un sustrato de dióxido de silicio, es suficiente una gota de esta proteína en la parte superior para que ésta se ensamble con los electrodos. Cuando se expone a la luz ultravioleta, la GFP absorbe fotones y emite electrones que viajan por un circuito produciendo electricidad.


Como este ejemplo, podemos encontrar otros muchos en los que se usa la biotecnología para funcionalizar esta tecnología y permitir así una generación más eficiente de las mismas.

En cuanto al hecho de tratar de aprovechar la tecnología vegetal de las plantas hay infinidad de investigaciones en marcha. Algunas de las más interesantes son las conocidas como células solares autoreparables.

La destructiva mezcla de la luz solar y el oxígeno implica que muchas de las células solares diseñadas in vitro no podrían sobrevivir al ponerlas en uso, por ello, en un intento de aumentar la vida útil de las células solares, el profesor Strano del Instituto tecnológicgo de Massachusets y sus colegas han hecho un uso novedoso del centro de reacción fotosintética, una de las partes de las plantas que la naturaleza ha desarrollado para la tarea.

Los investigadores han desarrollado pequeñas células solares con un diámetro de apenas unas mil millonésimas partes de un metro. Éstas pueden autorepararse ampliando así su vida útil. Estas células utilizan las proteínas de la maquinaria de las plantas para convertir la luz solar en electricidad. Las células se unen entre sí a partir una mezcla de proteínas, tubos diminutos de carbono y otros materiales. El mecanismo de autoreparación podría dar lugar a unas células solares mucho más duraderas.

Esta idea se basa en que los sistemas fotosintéticos naturales usan rutas complejas de auto reparación para prevenir el daño lumínico. Estas rutas están basadas en el reconocimiento molecular y en la creación de estados termodinámicos metastables, por medio de la formación de complejos proteicos. Estos complejos por medio de la unión y la desunión de sus componentes pueden ir renovando los componentes del sistema de forma natural evitando así los efectos de la oxidación. Aplicado a las células solares de Strano, el funcionamiento es idéntico, ya que las células que funcionalizan la superficie de la célula solar poseen las mismas características y propiedades que las que encontraríamos en plantas in vivo.

Aunque todavía es necesario realizar grandes mejoras en cuanto eficiencia en estos dispositivos y en otros muchos, la idea que subyace tras la investigación es lo importante para los futuros trabajos, esta idea no es otra que el uso de la biología, y más concretamente la biotecnología para obtener grandes avances y dar beneficios a la sociedad, tal como ya se hace en medicina o en la industria alimentaria, entre otros campos.

Este es un ejemplo más de cómo la biotecnología es una herramienta muy útil para la sociedad, y como la investigación y una apuesta decidida por ella puede generar a quien la promueva una situación ventajosa y puntera con futuros beneficios tanto sociales como económicos.

Referencias


http://escritorio.acceso.com/bioregio/prensa/verpdf.html?import_date=CONOM&indv=1&news_id=55061378&sp_id=43434&file=000WS5MQ.pdf&sp_subject=Biotecnologia+-+Ci%E8ncia&comp_id=5861&clip_id=246

http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2012.1.html

http://www.solarpedia.es/index.php/C%C3%A9lula_solar

http://www.solarpedia.es/index.php/Semiconductores

http://podersolarmx.tripod.com/id11.html

http://blog.is-arquitectura.es/2010/09/12/paneles-solares-baratos-usando-proteinas-de-medusa/

http://www.nature.com/nchem/journal/v2/n11/abs/nchem.822.html

ASBTEC Associació de Biotecnòlegs de Catalunya

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