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Células solares flexibles en sustratos no convencionales. Fuente: Universidad de Stanford.
Las células solares tradicionales tienen una limitación: deben colocarse en paneles fijos, rígidos y a menudo pesados, lo que limita sus aplicaciones. Lo ideal sería que hubiese paneles flexibles, similares a las calcomanías, que pudiesen desenvolverse como las tiritas, para ser pegados prácticamente sobre cualquier superficie, como documentos o cristales de ventanas.
Esto es lo que han conseguido científicos de la Universidad de Stanford, en Estados Unidos: desarrollar las primeras células solares finas y adherentes. Su avance, que ha sido explicado en un comunicado de dicha Universidad, ha aparecido también detallado en la revista Scientific Reports.
A diferencia de lo que sucede con los sustratos de las células solares de película fina ya existentes, los sustratos de estas nuevas células de “desprender y pegar” no precisarían de ningún tipo de tratamiento directo. Este hecho supone un avance mucho más drástico de lo que pueda parecer inicialmente, porque significa que estas células podrían instalarse sobre materiales no convencionales. En consecuencia, se ampliarían enormemente las aplicaciones de la tecnología solar.
Las células fotovoltaicas de película fina o delgada se fijan tradicionalmente sobre sustratos de silicio rígido o de cristal, lo que limita mucho su uso, afirma Chi Hwan Lee, autor principal del artículo de Scientific Reports y estudiante de doctorado en ingeniería mecánica en Stanford.
Y aunque el desarrollo de las células solares de película delgada prometía otorgar un poco de flexibilidad a la tecnología de los paneles solares, explica Xiaolin Zheng, profesora asistente de ingeniería mecánica de Stanford y autora principal de la investigación, "se ha constatado que el uso estos sustratos es en extremo problemático: resultan difíciles de aprovechar para la generación de energía fotovoltaica porque suelen tener superficies irregulares y no compaginan bien con los tratamientos térmicos y químicos necesarios para producir las células solares actuales”.
Esto es lo que han conseguido científicos de la Universidad de Stanford, en Estados Unidos: desarrollar las primeras células solares finas y adherentes. Su avance, que ha sido explicado en un comunicado de dicha Universidad, ha aparecido también detallado en la revista Scientific Reports.
A diferencia de lo que sucede con los sustratos de las células solares de película fina ya existentes, los sustratos de estas nuevas células de “desprender y pegar” no precisarían de ningún tipo de tratamiento directo. Este hecho supone un avance mucho más drástico de lo que pueda parecer inicialmente, porque significa que estas células podrían instalarse sobre materiales no convencionales. En consecuencia, se ampliarían enormemente las aplicaciones de la tecnología solar.
Las células fotovoltaicas de película fina o delgada se fijan tradicionalmente sobre sustratos de silicio rígido o de cristal, lo que limita mucho su uso, afirma Chi Hwan Lee, autor principal del artículo de Scientific Reports y estudiante de doctorado en ingeniería mecánica en Stanford.
Y aunque el desarrollo de las células solares de película delgada prometía otorgar un poco de flexibilidad a la tecnología de los paneles solares, explica Xiaolin Zheng, profesora asistente de ingeniería mecánica de Stanford y autora principal de la investigación, "se ha constatado que el uso estos sustratos es en extremo problemático: resultan difíciles de aprovechar para la generación de energía fotovoltaica porque suelen tener superficies irregulares y no compaginan bien con los tratamientos térmicos y químicos necesarios para producir las células solares actuales”.
Solución del problema
Pero, según la investigadora: "Hemos superado estos problemas desarrollando un proceso de “desprender y pegar” que otorga a las células solares de película fina una flexibilidad y un potencial de adherencia nunca visto, y que además reduce el coste general y el peso (de estos sistemas)."
Gracias a dicho proceso, los científicos han podido adherir células solares de película delgada a papel, plásticos y cristales de ventanas, entre otros materiales. Y sin que las células pierdan ni un ápice de eficiencia energética original, afirma Zheng.
El proceso de fabricación de estas células es el siguiente: En primer lugar, se deposita una película de níquel de 300 nanómetros de grosor sobre una oblea de dióxido de silicio y de silicio.
A continuación, las células solares de película delgada se depositan sobre esta capa de níquel siguiendo técnicas de fabricación estándar, y luego se cubren con una capa de un polímero protector. Entonces se une una cinta de transferencia térmica a la parte superior de las células solares para aumentar la transferencia externa de estas hacia un sustrato nuevo.
En ese momento, la célula solar está lista para ser despegada de la oblea inicial. Para separarla, se sumerge la oblea en agua, a temperatura ambiente, y se separa levemente el borde de la cinta de transferencia térmica, lo que permite que el agua penetre entre el níquel y la zona de contacto con el dióxido de silicio. La célula solar queda así liberada del sustrato rígido inicial, pero aún permanece unida a la cinta de transferencia térmica.
A continuación, se calienta esta cinta y la célula solar a 90 °C durante varios segundos, lo que hace que la célula se pueda aplicar a prácticamente cualquier superficie usando cinta de doble cara o cualquier otro adhesivo. Por último, la cinta de transferencia térmica se retira, dejando sólo la célula solar, ya pegada al sustrato escogido.
Las pruebas realizadas hasta ahora han demostrado que este proceso de despegar y pegar las células es fiable y permite que las células solares de película fina se mantengan totalmente intactas y funcionales, afirma Zheng. Otra ventaja del sistema es que no produce residuos porque “la oblea de silicio tampoco resulta dañada y permanece limpia tras su separación de las células solares, lo que permite su reutilización”, añade la investigadora.
Células solares en casi cualquier cosa
Aunque otros especialistas ya habían conseguido fabricar células solares de película delgada sobre sustratos flexibles, sus esfuerzos habían requerido de modificaciones de los procesos o los materiales ya existentes. "La principal contribución de nuestro trabajo es que hemos logrado (esto mismo) sin tener que modificar ningún proceso, instalaciones ni materiales ya existentes, lo que hace que (estas células) sean comercialmente viables. Y hemos demostrado que nuestra técnica funciona en una gama de sustratos más amplia de lo que nunca antes se había logrado”, afirma por su parte Lee.
De este modo, las células solares podrían unirse a partir de ahora a “los cascos, los teléfonos móviles, las ventanas o los dispositivos electrónicos portátiles… prácticamente a cualquier cosa", añade Zheng.
Por otra parte, este proceso de “desprender y pegar” no estaría necesariamente restringido a las células solares de película fina, sino que también podría aplicarse a la electrónica (a circuitos impresos, transistores de lámina delgada o pantallas de cristal líquido o LCD); así como al desarrollo de ropa inteligente, aseguran los autores del avance.
Estos consideran que “es posible que nos encontremos solo al principio del desarrollo de esta técnica. Las cualidades de este proceso en el que estamos investigando seguramente no sean exclusivas de la combinación de níquel y dióxido de silicio. Es probable que otras conexiones materiales demuestren características similares, y podrían tener ciertas ventajas para aplicaciones específicas. Aún nos queda mucho por investigar”.
Pero, según la investigadora: "Hemos superado estos problemas desarrollando un proceso de “desprender y pegar” que otorga a las células solares de película fina una flexibilidad y un potencial de adherencia nunca visto, y que además reduce el coste general y el peso (de estos sistemas)."
Gracias a dicho proceso, los científicos han podido adherir células solares de película delgada a papel, plásticos y cristales de ventanas, entre otros materiales. Y sin que las células pierdan ni un ápice de eficiencia energética original, afirma Zheng.
El proceso de fabricación de estas células es el siguiente: En primer lugar, se deposita una película de níquel de 300 nanómetros de grosor sobre una oblea de dióxido de silicio y de silicio.
A continuación, las células solares de película delgada se depositan sobre esta capa de níquel siguiendo técnicas de fabricación estándar, y luego se cubren con una capa de un polímero protector. Entonces se une una cinta de transferencia térmica a la parte superior de las células solares para aumentar la transferencia externa de estas hacia un sustrato nuevo.
En ese momento, la célula solar está lista para ser despegada de la oblea inicial. Para separarla, se sumerge la oblea en agua, a temperatura ambiente, y se separa levemente el borde de la cinta de transferencia térmica, lo que permite que el agua penetre entre el níquel y la zona de contacto con el dióxido de silicio. La célula solar queda así liberada del sustrato rígido inicial, pero aún permanece unida a la cinta de transferencia térmica.
A continuación, se calienta esta cinta y la célula solar a 90 °C durante varios segundos, lo que hace que la célula se pueda aplicar a prácticamente cualquier superficie usando cinta de doble cara o cualquier otro adhesivo. Por último, la cinta de transferencia térmica se retira, dejando sólo la célula solar, ya pegada al sustrato escogido.
Las pruebas realizadas hasta ahora han demostrado que este proceso de despegar y pegar las células es fiable y permite que las células solares de película fina se mantengan totalmente intactas y funcionales, afirma Zheng. Otra ventaja del sistema es que no produce residuos porque “la oblea de silicio tampoco resulta dañada y permanece limpia tras su separación de las células solares, lo que permite su reutilización”, añade la investigadora.
Células solares en casi cualquier cosa
Aunque otros especialistas ya habían conseguido fabricar células solares de película delgada sobre sustratos flexibles, sus esfuerzos habían requerido de modificaciones de los procesos o los materiales ya existentes. "La principal contribución de nuestro trabajo es que hemos logrado (esto mismo) sin tener que modificar ningún proceso, instalaciones ni materiales ya existentes, lo que hace que (estas células) sean comercialmente viables. Y hemos demostrado que nuestra técnica funciona en una gama de sustratos más amplia de lo que nunca antes se había logrado”, afirma por su parte Lee.
De este modo, las células solares podrían unirse a partir de ahora a “los cascos, los teléfonos móviles, las ventanas o los dispositivos electrónicos portátiles… prácticamente a cualquier cosa", añade Zheng.
Por otra parte, este proceso de “desprender y pegar” no estaría necesariamente restringido a las células solares de película fina, sino que también podría aplicarse a la electrónica (a circuitos impresos, transistores de lámina delgada o pantallas de cristal líquido o LCD); así como al desarrollo de ropa inteligente, aseguran los autores del avance.
Estos consideran que “es posible que nos encontremos solo al principio del desarrollo de esta técnica. Las cualidades de este proceso en el que estamos investigando seguramente no sean exclusivas de la combinación de níquel y dióxido de silicio. Es probable que otras conexiones materiales demuestren características similares, y podrían tener ciertas ventajas para aplicaciones específicas. Aún nos queda mucho por investigar”.
Referencia bibliográfica:
Chi Hwan Lee, Dong Rip Kim, In Sun Cho, Nemeth William, Qi Wang y Xiaolin Zheng. Peel-and-Stick: Fabricating Thin Film Solar Cell on Universal Substrates. Scientific Reports (2012). DOI:10.1038/srep01000.
Chi Hwan Lee, Dong Rip Kim, In Sun Cho, Nemeth William, Qi Wang y Xiaolin Zheng. Peel-and-Stick: Fabricating Thin Film Solar Cell on Universal Substrates. Scientific Reports (2012). DOI:10.1038/srep01000.
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