Desarrollan células fotovoltaicas capaces de autoensamblarse

Guillermo Melis
Tendencias 21
14/09/10

Evitan uno de los mayores problemas con respecto a la captación de la luz solar
Un grupo de expertos ha creado células fotovoltaicas que tienen la propiedad de ensamblarse solas, es decir, pueden desarmarse y volver a juntarse rápidamente con sólo agregarles o quitarles una solución. Además, este novedoso sistema es capaz de repararse a sí mismo de los efectos dañinos que causa la energía del Sol. Si bien los científicos creen que la eficiencia de la célula solar puede mejorarse aún más, la idea del experimento es importante para futuras investigaciones.
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Respaldados por concesiones de la Iniciativa de la energía del MIT y el Centro de Fronteras Eni Solar de dicho instituto, un grupo de expertos ha creado un novedoso conjunto de moléculas fotoeléctricas capaces de autoensamblarse y convertir la luz solar en electricidad, según se informó en un reciente comunicado.

El trabajo, publicado el 5 de septiembre en la revista Nature Chemistry, recoge la experiencia de un grupo de expertos, liderado por Michael Strano, Carlos e Hilda Roddey (asociados de Ingeniería Química), estudiantes de posgrado y varios investigadores.

Convertir la luz del sol en energía almacenada era el objetivo de este proyecto, un sistema que intentaba emular el proceso producido por las plantas, día tras día, años tras año. Sin perder de vista ese propósito, los profesionales lograron desarrollar moléculas capaces de autoensamblarse; de esta manera, pueden ser clasificadas reiteradas veces y juntadas rápidamente con sólo añadir o quitar una solución adicional.

“En el fondo, estamos imitando trucos que la naturaleza ha descubierto a lo largo de millones de años”, informó el profesor Strano, quien, a la vez, reveló que la idea se le ocurrió por primera vez mientras leía sobre biología vegetal. “Me quedé realmente impresionado por el modo en que las células vegetales emplean este mecanismo de reparación extremadamente eficiente”, afirma. En pleno verano, “una hoja de un árbol recicla sus proteínas cada 45 minutos, aun cuando uno pueda pensar en ella como en una fotocélula estática”, concluyó.

Los siete discos compuestos

Para que el objetivo de su trabajo arrojara resultados extraordinarios, Strano y su equipo de investigación fabricaron unas moléculas sintéticas llamadas fosfolípidos, que forman discos; estos discos proporcionan un soporte estructural a otras moléculas que son las que realmente reaccionan a la luz, dentro de estructuras llamadas centros de reacción, que liberan electrones cuando son golpeadas por las partículas de la luz.

Los discos, que llevan en su interior los centros de reacción, se encuentran en una solución en la que se unen espontáneamente a unos nanotubos de carbono. Estas estructuras mantienen los discos de fosfolípidos uniformemente alineados, de modo tal que todos los centros de reacción puedan enfrentarse a la luz solar a la vez y también puedan actuar como cables que recogen y canalizan el flujo de electrones que van liberando las moléculas reactivas.

El trabajo final quedó conformado por siete compuestos diferentes (incluyendo los nanotubos de carbono, los fosfolípidos y las proteínas que forman los centros de reacción) capaces de ensamblarse y conformar una estructura que absorbe la luz del sol para luego propagarla como energía eléctrica.

Cuando a la mezcla se le añadió un agente tensoactivo los siete compuestos se separaron y formaron una solución parecida a una sopa. Luego, cuando se le retiró el agente tensoactivo, haciendo pasar primero la solución a través de una membrana, los compuestos volvieron a ensamblarse espontáneamente, dando lugar a una fotocélula renovada y perfectamente formada.


Menos problemas, mayor rendimiento

El experto de posdoctorado Moon-Ho Ham y la estudiante de posgrado Ardemis Boghossian, miembros del equipo de investigación, idearon este novedoso sistema basándose en un análisis teórico. Dicho análisis se concretó con la creación de un prototipo de célula que más tarde se logró poner a prueba. Sometieron a la célula a ciclos repetidos de ensamblaje y desensamblaje durante un periodo de 14 horas, sin que hubiese pérdida de eficiencia. Para Strano, al diseñar un método novedoso que genera electricidad gracias a la luz, los científicos no suelen estudiar la forma en que los sistemas se modifican con el tiempo.

Esta nueva tecnología con células solares evita uno de los mayores problemas con respecto a la captación de la luz solar. Los rayos del sol pueden ser sumamente dañinos para muchos materiales. En algunos casos, provoca una degradación en los sistemas desarrollados para utilizarla, sin embargo, a las plantas este problema parece no afectarles, ya que desintegran las moléculas que capturan la luz y las vuelven a ensamblar; de esta manera, las estructuras que capturan la energía del sol son ampliamente nuevas.

La forma reactiva del oxígeno que se genera por acción de la luz solar, tomando como punto de partida las moléculas que participan en la fotosíntesis de las plantas, hace que las proteínas se descompongan de un modo muy concreto. Según lo detalló el profesor Strano, el oxígeno “suelta una correa que mantiene unida la proteína”, pero esas mismas proteínas vuelven a ensamblarse rápidamente para que se repita el proceso.

Este procedimiento se hace posible en todas las cápsulas diminutas llamadas cloroplastos, que se encuentran dentro de cada célula de la planta, lugar donde ocurre la fotosíntesis. Según Strano, el cloroplasto es “una máquina asombrosa”. “Son extraordinarios motores que consumen dióxido de carbono y utilizan la luz para producir glucosa”, un producto químico fundamental para suministrar energía al metabolismo.

Beneficio con luz y electricidad

Un reciente artículo hecho público por el diario El País puso de manifiesto el enorme potencial que representa el desarrollo de las fotocélulas para beneficio del hombre. Según el artículo, las células fotovoltaicas instaladas en todo el mundo generaron el año pasado 7,4 gigavatios de electricidad, de los cuales 5,8 corresponden a Europa, conforme con un estudio realizado por el Instituto de la Energía, del Centro Común de Investigación.

Para ser más exactos, cada gigavatio de capacidad de generación de electricidad fotovoltaica es capaz de abastecer a unos 250.000 hogares europeos durante todo un año.

La célula solar es un dispositivo semiconductor capaz de convertir los fotones procedentes del Sol en electricidad de una forma directa e inmediata. Esta conversión se conoce con el nombre de efecto fotovoltaico. Una forma más general de célula solar se denomina célula fotovoltaica.