La hoja de vidrio es un nuevo tipo de concentrador solar; un dispositivo que recolecta la luz difusa y la enfoca sobre una celda solar relativamente pequeña. Las celdas solares, dispositivos electrónicos multi-capa hechos de silicio altamente refinado, son caras para fabricar, y cuanto más grandes son, cuestan más caras. Los concentradores solares pueden disminuir el coste total de la energía solar al hacer posible la utilización de celdas más pequeñas. Sin embargo, los concentradores generalmente están fabricados con espejos o lentes curvos, que son grandes y requieren de sistemas mecánicos muy caros que los ayudan a rastrear el sol.
A diferencia de los espejos y lentes de los concentradores solares convencionales, las hojas de vidrio de Baldo actúan como guías de ondas, canalizando la luz de la misma manera que los cables de las fibras ópticas transmiten señales ópticas a lo largo de grandes distancias. Los tintes que recubren las superficies del vidrio absorben la luz solar; diferentes tintes pueden ser utilizados para absorber las diferentes longitudes de onda de la luz. Luego los tintes re-envían la luz hacia adentro del vidrio, el cual los canaliza a los bordes. Tiras de celdas solares adosadas a los bordes absorben la luz y generan electricidad. Cuanto más grande es la superficie del vidrio en comparación al grosor de los bordes, más luz se concentra y – hasta en cierto modo – más se abarata la energía.
Baldo, profesor asociado de ingeniería eléctrica, recientemente publicó sus hallazgos en Science. Sobre la base de estos, él proyecta que sus concentradores solares podrían ser lo suficientemente grandes para ayudar a que la electricidad que generen pueda competir con la electricidad proveniente de combustibles fósiles. De hecho, comenta Baldo, los paneles equipados con los concentradores “podrían ser la tecnología solar más económica que existe”.
Ingrediente secreto
El proceso para fabricar los concentradores solares de Baldo empieza en otro laboratorio. Shalom Goffri, un investigador pos-doctoral, retira varias botellas llenas de polvo con un tinte colorido de su gabinete y mide los polvos dentro de pequeñas pipetas. Algunos de estos tintes fueron desarrollados para ser usados como pintura para automóviles; otros fueron utilizados en diodos orgánicos que emiten luz. Ambos tipos de tintes pueden durar por muchos años cuando se encuentran expuestos a la luz solar – una cualidad esencial para los concentradores solares. Una vez que ha medido los polvos, Goffri agrega un solvente a cada uno para crear una tinta líquida.
Los próximos pasos se llevan a cabo dentro de una caja sellada, para que Goffri no inhale los solventes utilizados para hacer los tintes. Él inserta su mano dentro de la caja, utilizando unos guantes gruesos que están montados sobre el frente de vidrio de la caja, y cuidadosamente mezcla todo formando diferentes tintas. El poder determinar la combinación correcta de tintas resolvió un problema fundamental que los investigadores habían visto en este tipo de concentrador solar. Si la hoja de vidrio está revestida con un tinte que absorbe la luz solar, digamos, dentro del rango del verde al azul del espectro solar, y emite luz de la misma longitud de onda, la luz emitida será rápidamente reabsorbida por el tinte, y sólo un poco llegará a los bordes. Este problema ha limitado el tamaño de estos concentradores solares, ya que cuanto más lejos necesita viajar la luz a los bordes, menos luz verdaderamente llegará.
Al utilizar ciertas combinaciones de tintes junto a otras moléculas que absorben luz, Baldo creó pinturas que absorben un color pero que emiten otro. La luz emitida no es rápidamente reabsorbida por los revestimientos, así que más luz llega a los bordes de la hoja de vidrio.
Los revestimientos que Goffri fabrica absorben la luz ultravioleta a través de la luz verde y emiten una luz naranja. Una vez que Goffri ha preparado la mezcla final, vuelca un poco sobre un cuadrado de vidrio de 10 centímetros de ancho – el más grande que se puede insertar dentro de un dispositivo que hace girar al vidrio a 2.000 revoluciones por minuto para lograr que el tinte se disperse de manera pareja. Dentro de uno o dos minutos, el solvente se evapora y el proceso ha concluido. El concentrador solar, con un revestimiento de tinte naranja, está completo.
El prototipo
Para generar electricidad, Goffri conecta el concentrador solar a las celdas solares. Está armando lo que se denomina un módulo solar en tándem, que es un tipo de panel solar que utiliza dos tipos diferentes de celdas para capturar más energía de la luz solar que cualquier otro tipo de panel podría lograr solo. Distintas longitudes de onda de la luz solar poseen diferentes cantidades de energía; la ultravioleta posee más y la infrarroja, menos. Las celdas solares están optimizadas para colores particulares. Una diseñada para convertir la luz infrarroja en electricidad, por ejemplo, convertirá la mayoría de la energía dentro de la luz azul en calor de desperdicio. De igual modo, la luz roja pasará a través de una celda solar optimizada para la luz azul de alta energía sin ser absorbida. Idealmente, las celdas solares para las diferentes longitudes de onda podrían usarse en conjunto para recolectar la mayor cantidad de luz solar, pero este método a menudo resulta demasiado caro como para ser práctico.
Los concentradores de Baldo ofrecen una manera económica de combinar las celdas solares optimizadas para las diferentes longitudes de onda: distintos revestimientos de color pueden asociarse con diferentes tipos de celdas solares dentro del mismo dispositivo. Para hacer un prototipo, Goffri toma un tipo de celda solar bien adaptado a los colores de alta energía y lo adhiere a la parte inte a de un marco de plástico; luego inserta el concentrador dentro del marco de tal modo que sus bordes se alinean con las celdas. El concentrador captura la luz ultravioleta, azul y verde y emite luz naranja que la celda convierte en electricidad. La luz de baja energía, desde el extremo del rojo e infrarrojo del espectro, pasa a través del concentrador solar hasta la siguiente capa. En el prototipo, la próxima capa es una celda solar convencional de silicio de tamaño habitual que no está unida a un concentrador solar.
El prototipo, comenta Baldo, puede convertir casi el doble de energía proveniente de la luz solar en electricidad de lo que puede lograr una celda convencional, con la condición de que el concentrador sea de aproximadamente 30 centímetros cuadrados. Esto se transforma en una disminución del 30% en el coste de la electricidad solar.
En el futuro, el ahorro de costes podría ser mucho mayor, según cree Baldo. Él no utiliza un concentrador para la luz infrarroja porque, hasta ahora, no existen buenos tintes para capturar esas longitudes de onda. Sin embargo, tiene confianza en que se pueden desarrollar dichos tipos de tintes. Cuando eso suceda, él podrá agregar un segundo concentrador, por un coste adicional menor, y reemplazar la celda solar de silicio de tamaño habitual por celdas más pequeñas y económicas adosadas a los bordes del concentrador. Si el coste de la fotovoltaica disminuye a lo largo de los próximos años, como se espera que suceda, este diseño podría hacer que la energía solar sea tan económica como es la electricidad proveniente del carbón, afirma.
Hay mucho más trabajo para hacer en el laboratorio, tal como mejorar el rango de colores que los concentradores pueden absorber, lo que posibilitará que se hagan especialmente para partes específicas del espectro. Sin embargo Baldo cree que ya es hora de sacar la tecnología del laboratorio y ubicarla en el mercado. Él y sus colegas han fundado una empresa llamada Corvalent Solar, que está empezando a dar ganancias. La empresa tiene su sede principal en Cambridge, MA (Estados Unidos) y planifica tener sus primeros productos – probablemente los módulos solares en tándem – listos para dentro de tres años.
Kevin Bullis es el editor de energía de Technology Review.