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Desarrollan prototipos de paneles solares que alimentan smartphones y pequeños motores eléctricos

31 de enero de 2016

Por Ana Luisa Guerrero México, DF. (Agencia Informativa Conacyt).- Cargar la batería de un smartphone o encender un ventilador personal sin necesidad de una conexión eléctrica a través de paneles portátiles de celdas solares orgánicas desarrolladas por científicos mexicanos, es ahora posible.

Tras nueve años de investigaciones y ardua labor en equipo entre diversas instituciones del país, el Grupo de Propiedades Ópticas de la Materia (GPOM) del Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) ha desarrollado el primer prototipo portátil en el país capaz de absorber la luz del sol, transformarla en electricidad y almacenarla para ser utilizada en aparatos de uso cotidiano, como el teléfono celular o motores eléctricos de mediana potencia.

Esta aportación mexicana de energía renovable es emergente a nivel mundial, por lo que tiene la oportunidad de ser punta de lanza para la creación de nuevos dispositivos basados en materiales orgánicos que permitan el uso de la energía solar fotovoltaica.

El panel de área grande, llamado así porque es de varios centímetros (unos 50 cm2), entrega cinco V de voltaje DC y alrededor de 20 mA/cm2 de corriente DC, también está diseñado para almacenar energía eléctrica de un tomacorriente normal cuando esté descargado y la luz solar no sea suficiente, por ejemplo en días nublados o de noche.

Este avance es resultado de la colaboración académico-científica de un grupo que se ha desarrollado en la materia y que ha sido financiado por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt), del Fondo Sectorial entre el Conacyt y la Secretaría de Energía en el rubro de Sustentabilidad Energética, del Centro Mexicano de Innovación en Energía Solar (Cemie-Sol) y del propio CIO.

Particularmente, este prototipo fue diseñado y elaborado por tres estudiantes que lo realizaron como proyecto de titulación bajo la asesoría de Enrique Pérez Gutiérrez, investigador asociado del GPOM. Se trata de Blanca Gómez, ingeniera en energías renovables por el Instituto Tecnológico Superior de Cintalapa, Chiapas; Francisco Amores, ingeniero en electrónica por el Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez, Chiapas; y Leonardo Saavedra, ingeniero en biotecnología por el Instituto Politécnico Nacional (IPN) campus Guanajuato.

Estudiantes y Dr. Enrique Perez02Dr. Enrique Pérez Gutiérrez (derecha) y estudiantes.El doctor Enrique Pérez Gutiérrez explica a la Agencia Informativa Conacyt que en el GPOM del CIO han desarrollado celdas solares con eficiencia de conversión energética de siete por ciento. En este caso se utilizaron seis paneles solares interconectados que fueron depositados en sustratos de vidrio conteniendo un electrodo transparente y otro opaco de una aleación de tres metales; el material orgánico fotoactivo es una mezcla de dos compuestos orgánicos que captan la luz solar y generan electricidad.

Los jóvenes estudiantes, ahora ingenieros profesionales, diseñaron un circuito electrónico adaptado especialmente para la potencia eléctrica entregada por el panel. La energía eléctrica se almacena en cuatro baterías recargables comerciales que están integradas al prototipo.

Con estas características técnicas, el panel solar orgánico puede cargar en su totalidad la batería de un smartphone; esto ha sido probado en diferentes modelos y marcas, desde los más sencillos hasta aquellos que requieren más potencia.

En diciembre de 2015 se logró con éxito esta innovación, por lo que el grupo de investigación trabaja en un proceso de caracterización opto-eléctrico más completo y en la mejora del prototipo con miras a fabricar paneles flexibles y semitransparentes.

Energías renovables, prioridad nacional

En los últimos años, México ha emprendido esfuerzos para incrementar la generación de energías renovables y no contaminantes. La Ley para el Aprovechamiento de las Energías Renovables y el Financiamiento de la Transición Energética (LAERFTE) establece que para el 2024 la participación de las fuentes no fósiles en la generación de electricidad debe ser de 35 por ciento.

De ahí que se haya implementado el Programa Especial para el Aprovechamiento de las Energías Renovables 2014-2018, a fin de promover tecnologías que permitan aprovechar las fuentes renovables de energía que garanticen la seguridad energética y la sustentabilidad ambiental.

En busca de ese propósito fue que se conformaron los Centros Mexicanos de Innovación en Energía con recursos provenientes del Fondo de Sustentabilidad Energética, para fortalecer, consolidar y vincular las capacidades científicas y tecnológicas en el país, que además coadyuvaran a la formación de recursos humanos especializados.

De ellos se desprende el Cemie-Sol, un consorcio virtual coordinado por el Instituto de Energías Renovables de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) que agrupa a 57 instituciones de investigación y/o educación superior y a diez empresas para generar sinergias en torno al aprovechamiento de la energía solar.

Con arranque formal en marzo de 2014, el Cemie-Sol abanderó y apoyó 22 proyectos iniciales, actualmente suman 50; uno de ellos enfocado en el desarrollo de celdas solares orgánicas con participación del GPOM del CIO, que hasta el momento ha generado paneles con una eficiencia energética competitiva a los desarrollos que realizan otros grupos de investigación a nivel mundial.

elder de la rosa CIO01Dr. Elder de la Rosa.Para México, el desarrollo de celdas solares orgánicas e híbridas es fundamental no solo para disminuir el consumo de hidrocarburos y la generación de dióxido de carbono, sino para utilizar el gran potencial energético solar que hasta ahora se desaprovecha.

El doctor Elder de la Rosa, director del CIO, plantea en una aportación que la irradiación solar promedio en el territorio nacional es de cinco kWh/m2/día, y con dispositivos fotovoltaicos de 10 por ciento de eficiencia de conversión bastaría utilizar el 0.1 por ciento de la superficie de México para obtener 355 TWh/año, que es mayor al consumo total de energía actual del país, que se ha estimado en 271 TWh/año.

“Si suponemos un incremento en el consumo de energía del tres por ciento anual, tendríamos más de 300 años para explotar al máximo la energía solar disponible. Dicho de otro modo, el sol es sin duda la mayor fuente de energía de que disponemos”, enfatiza. 

Celdas solares orgánicas

El doctor José Luis Maldonado Rivera, investigador titular del GPOM, refiere que el trabajo teórico y práctico se está realizando en el CIO con técnicas que se han estado implementado en el GPOM, a través de las cuales se ha posibilitado obtener celdas de varios centímetros cuadrados que, a su vez, fueron interconectadas en serie para incrementar el voltaje, y también conectadas en paralelo para aumentar la corriente.

Resalta que las celdas orgánicas tienen una eficiencia de conversión energética menor a las fabricadas con materiales inorgánicos, como el silicio, y difícilmente podría igualarse, pero se trabaja para hacerlas más eficientes aprovechando sus características, tales como fácil procesamiento, ligereza, bajo costo de elaboración, flexibilidad y potencial transparencia.

Miembro nivel II del Sistema Nacional de Investigadores (SNI), detalla que los paneles solares funcionan bajo el efecto fotovoltaico que consiste en absorber la luz solar y generar electricidad.

Se componen de un material activo depositado entre dos electrodos llamados ánodo y cátodo, colocados en un sustrato como vidrio, plástico o acetato. Cuando reciben la luz solar comienza el proceso de absorción de fotones que generan pares de cargas eléctricas de tipo electrón-hueco, que se conocen como excitones, y que por su naturaleza se pueden disociar. En esta fase, los electrones se dirigen al cátodo y los huecos al ánodo, produciéndose una diferencia de potencial y una corriente eléctrica.

Prototipo del CIO

jose luis maldonado CIO01Dr. José Luis Maldonado.La innovación desarrollada en el CIO es una muestra clara del potencial de México en tecnologías basadas en materiales orgánicos, considera Maldonado Rivera, quien asegura que se trata del primer panel y prototipo desarrollado en nuestro país producto de la colaboración académica y científica.

El doctor Pérez Gutiérrez señala que hay grupos de investigación en otros países que han obtenido resultados con aplicaciones similares, pero para México lograr este prototipo implica estar a la par no solo de investigación científica sino de desarrollos tecnológicos.

“Al día de hoy, a nivel mundial hay pocas empresas o centros de investigación con prototipos como este, entonces lo que ha logrado el grupo y el CIO es colocarnos a la par no solo para entender los procesos físicos que puedan ocurrir con este tipo de materiales, sino a nivel tecnológico para desarrollar este tipo de tecnologías”, abunda.

Producto de estos trabajos, el centro público de investigación ya ha iniciado trámites de patentes, uno relacionado con los materiales que utilizan, y en el cual ya pasaron el primer filtro, y están a la respuesta del segundo correspondiente a la evaluación.

Además ha establecido contacto con algunas empresas, particularmente una dedicada a las celdas solares basadas en silicio ubicada en Irapuato, Guanajuato, que está interesada en expandir sus desarrollos a celdas orgánicas.

Si te interesa conocer más sobre el tema, visita la página del Grupo de Propiedades Ópticas de la Materia (GPOM) del CIO, o escribe al correo jlmr@cio.mx .

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