El oro falso, también llamado pirita o sulfuro de hierro, se puede extraer de prácticamente cualquier sitio, desde los montes de California hasta los pueblos de la Provincia de Yunnan en China. No obstante, en vez de extraer la pirita, el investigador Cyrus Wadia está fabricando nano-partículas puras a partir de un compuesto de sales de hierro y azufre en su laboratorio de la Universidad de California, Berkely. El objetivo final es hacer que el oro falso se convierta en un verdadero tesoro: una célula solar de bajo coste.

Hoy día la mayoría de las células solares están hechas de silicio, aunque su precio es elevado: el silicio es abundante, pero para convertirlo en un material fotovoltaico es necesario un proceso largo e intenso a nivel energético. Los materiales como el teluro de cadmio y el cobre indio galio diselenido son más simples de procesar, y con ellos se pueden producir células de película fina a menor coste. No obstante, los elementos necesarios para crear estos compuestos, tales como el teluro y el galio, son demasiado poco frecuentes como para cumplir con la demanda energética mundial.

Por tanto, Wadia llevó a cabo un estudio de posibles materiales para células solares, examinando no sólo su química y física sino también su disponibilidad. Uno de los materiales más destacados fue el oro falso: es abundante y barato, y posee propiedades ópticas que le permiten convertir la luz del sol en electricidad de forma eficiente. “La eficiencia teórica del sulfuro de hierro es del 31 por ciento. Igual de buena que la del silicio,” afirma Wadia. Es más, 20 nanómetros de pirita son capaces de absorber tanta luz como 300 micrómetros de silicio. Puesto que absorbe tanta luz, se pueden fabricar células más finas, lo que requiere el uso de menos material. 

Matthew Beard, científico senior en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Golden, Colorado, cree que Wadia y sus colegas “resultan muy convincentes a la hora de apostar por estos materiales.” Aunque la escasez de los elementos utilizados en las películas finas más actuales no es un problema por ahora, sí será problemática a largo plazo, afirma Beard. Mientras tanto, existe un problema más inmediato: algunos de esos elementos son tóxicos. Estos problemas hacen que merezca la pena desarrollar alternativas como la pirita.

Los intentos anteriores por crear células solares con pirita dieron como resultado dispositivos que, en el mejor de los casos, convertían sólo un 2,8 por ciento de la luz del sol en electricidad. Wadia cree que la baja eficiencia se debe a inconsistencias en la estructura de cristal de la pirita. Él es el primer en crear nanopartículas de pirita, y su método da como resultado cristales de pirita con una estructura uniforme y favorable. El material resultante, según cree, será mejor que la pirita convencional utilizada en las células solares.

Creaciones cristalinas

La estructura de cristal de la pirita puede tomar varias formas. No obstante, sólo una de ellas tiene las propiedades eléctricas que hacen que la pirita sea un buen material solar, y hay que alcanzar un pH y una temperatura exactos para generar una solución de nanocristales que existan únicamente en esa forma. Para fabricar los cristales, Wadia pipetea sales de hierro calcáreas anaranjadas, sales de sulfuro transparentes y un surfactante iridiscente burbujeante dentro de un cilindro de metal revestido con Teflon. El surfactante hace que las partículas no se agrupen mientras son cultivadas. Después sella el cilindro dentro de un contenedor autoclave y lo hornea a 200 °C durante cuatro horas. Después de extraerlo, Wadia desatornilla el bote, revelando un líquido transparente con una capa negra en el fondo: nano-cristales de pirita pura de alrededor de 100 a 500 nanómetros de un extremo a otro.

Para convertir la luz en electricidad utilizable, las células solares necesitan dos tipos distintos de semiconductores. Cuando los fotones alcanzan el sulfuro de hierro, los electrones en el compuesto se excitan—aunque esas cargas negativas no pueden salir de la célula y pasar a un circuito externo a no ser que un compuesto con propiedades eléctricas distintas, llamados agujeros, las extraiga. Un candidato para llevar a cabo este trabajo es el sulfuro de cobre, otro material de bajo coste y abundante que Wadia ha convertido en nanocristales en colaboración con Yue Wu, en la actualidad profesor asistente de ingeniería química en la Universidad Purdue.

Wadia sintentiza los nanocristales de sulfuro de cobre mediante la inyección de sales de sulfuro y cobre, así como un surfactante, dentro de una matraz de tres bocas sobre una placa caliente; las nanopartículas del compuesto se forman al tiempo que una varilla magnética remueve la solución. Después de eliminar el surfactante y resuspender las nanopartículas en cloroformo, las transfiere a una caja de manipulación con guantes. Dentro de ella se encuentra un chip de cristal, de unos 2,5 centímetros cuadrados, al que se le ha aplicado una fina capa de óxido de indio estaño, que actúa como contacto eléctrico. Wadia coloca el chip de cristal sobre un pequeño disco y pipetea sobre él la suspensión de color negro que contiene los nanocristales de pirita. Hace que el disco gire rápidamente durante un minuto para así extender los nanocristales en una capa uniforme. Después coloca el chip en una placa caliente durante 10 a 15 minutos para pegar las partículas a la superficie.

Después de que Wadia repite el proceso con la solución de sulfuro de cobre, el contacto eléctrico de la parte de abajo se cubre con capas de nanopartículas. Más tarde pasa rápidamente un copo normal de algodón por el chip para volver a exponer una tira del óxido de indio estaño que actúa como contacto eléctrico de la célula. A continuación cubre el chip con una máscara, o plantilla, que delinea dos grupos de cuatro cuadrados con colas rectangulares. Wadia coloca el chip y una pequeña pieza de aluminio sólido dentro de un evaporador termal, parecido a una campana de cristal pero en este caso metálica. Después de sellar la campana, la calienta; el aluminio se evapora y, al enfriarse, se asienta sobre las partes expuestas del chip. Esto crea ocho contactos eléctricos cuadrados con colas que llevan hasta el borde del chip.

La pirita ve la luz

El chip está listo para ser puesto a prueba. Wadia desatornilla un probador de células solares, coloca dentro el chip y lo vuelve a atornillar. Después lo ilumina con una luz que imita la distribución de longitudes de onda de la luz solar. Cuando la luz alcanza el chip, el sistema mide la corriente, el voltaje a lo largo del chip y otras propiedades. Una pantalla muestra un esquema de la corriente a través de la célula y en contraste con el voltaje que la atraviesa. Hasta ahora, las células basadas en pirita han logrado rendimientos decepcionantes, aunque los investigadores de Berkeley han utilizado sulfuro de cobre en combinación con sulfuro de cadmio para fabricar células con eficiencias del 1,6 por ciento. Esa no es una cifra lo suficientemente alta como para su uso práctico, aunque los resultados son lo suficientemente prometedores como para justificar el seguir trabajando en la tecnología 

Sería preferible utilizar células que incorporasen la pirita puesto que el material es menos tóxico y más fácil de recuperar que los componentes de cadmio. No obstante, al colocar las nanopartículas de pirita en el chip se suelen formar unos poros a escala nanométrica. Para los electrones, estos huecos tan minúsculos pueden ser como el Gran Cañón—no pueden cruzarlos y migrar hacia el circuito eléctrico externo. En vez de ello, los electrones acaban bajando hacia el electrodo del fondo, haciendo que la célula sufra un cortocircuito.

No es fácil fabricar buenas películas de pirita puesto que los nanocristales tienden a hundirse hacia el fondo de cualquier líquido. Cuanto mejor se suspenda una partícula, más suave será la película que acabe formando. Wadia cree que el uso de partículas más pequeñas puede que lleve hacia tipos de suspensiones mejores: las partículas de pirita tienen entre 20 y 100 veces el tamaño de las partículas de sulfuro de cobre, que tienen unos cinco nanómetros de largo. Wadia está intentando todo lo posible para hacerlas más pequeñas, incluyendo su presión o molido mecánico, así como ajustes en las condiciones de reacción. También está colaborando con bioingenieros del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley para crear virus genéticamente y poder acumular las nanopartículas de pirita sobre sus capas; el siguiente paso sería lograr que los virus se alinearan para formar películas uniformes.

Wadia reconoce que aún pasarán muchos años antes de lograr crear células solares eficientes con nanocristales de pirita. El objetivo final, no obstante, es producir una célula lo suficientemente barata como para hacer que la luz solar sea la fuente de energía dominante. “Sólo necesito que la ciencia en la que se basa el proyecto funcione,” afirma.