La nueva tecnología fotovoltaica
La energía solar está dando un nuevo paso fuera de los lugares donde tradicionalmente se ha utilizado. Un equipo internacional de investigadores ha desarrollado células solares de perovskita capaces de generar electricidad bajo el agua, alcanzando resultados destacados durante pruebas realizadas a una profundidad de aproximadamente 10 metros.
El avance, publicado en la revista científica Joule, podría abrir nuevas posibilidades para alimentar sensores, sistemas de monitoreo y robots submarinos sin depender constantemente de cables, baterías de gran tamaño o conexiones con instalaciones situadas en tierra.
La clave de esta investigación está en adaptar las propiedades ópticas de las células solares al tipo de luz que permanece disponible bajo el agua.
¿Por qué es tan difícil generar energía solar bajo el agua?
La principal dificultad no consiste simplemente en colocar un panel solar debajo del mar.
El problema fundamental es la pérdida y modificación de la luz solar a medida que atraviesa el agua.
Cuando la radiación solar penetra en el océano, determinadas longitudes de onda son absorbidas rápidamente. La cantidad de luz disponible disminuye con la profundidad y el espectro que llega a una célula fotovoltaica deja de ser igual al que existe en la superficie.
La luz roja, infrarroja y otras regiones del espectro se atenúan considerablemente, mientras que determinadas longitudes de onda azuladas y verdosas pueden penetrar más profundamente.
Esto representa un problema para las células solares convencionales.
El problema de las células solares de silicio
Las células fotovoltaicas tradicionales de silicio están diseñadas para aprovechar un amplio rango del espectro solar.
Cuando se trasladan a un entorno submarino, las condiciones cambian considerablemente.
La intensidad luminosa es mucho menor y la composición espectral de la luz también es diferente. Como consecuencia, una tecnología optimizada para funcionar sobre tejados o terrenos abiertos no necesariamente ofrece el mismo rendimiento bajo el océano.
Los investigadores buscaron una solución diferente: diseñar el material fotovoltaico específicamente para las condiciones de iluminación existentes bajo el agua.
Perovskita: el material que puede cambiar la energía solar
Las células solares de perovskita se encuentran entre las tecnologías fotovoltaicas que más interés han despertado durante los últimos años.
A diferencia de las células convencionales de silicio, los materiales de perovskita pueden diseñarse para modificar determinadas propiedades ópticas y electrónicas.
En esta investigación se utilizaron células solares de perovskita de banda prohibida amplia, conocidas como wide-bandgap perovskite solar cells.
La estrategia consiste en adaptar la célula para aprovechar de manera más eficiente la luz que consigue atravesar el agua.
Adaptar la célula al espectro submarino
En lugar de intentar captar indiscriminadamente toda la radiación solar disponible en la superficie, los investigadores diseñaron el dispositivo teniendo en cuenta el espectro de luz que permanece disponible a varios metros de profundidad.
Esta adaptación espectral permite aprovechar mejor la radiación azul y verde que domina el entorno luminoso submarino.
El resultado es especialmente interesante porque demuestra que una célula fotovoltaica puede diseñarse específicamente para un entorno donde las condiciones de iluminación son muy diferentes de las existentes en tierra.
Una eficiencia superior al 34 % bajo condiciones submarinas
Uno de los resultados más llamativos de la investigación fue el rendimiento registrado bajo condiciones que simulan aproximadamente 10 metros de profundidad.
Los dispositivos alcanzaron una eficiencia de conversión de potencia de aproximadamente 34,71 % en esas condiciones experimentales.
Esta cifra debe interpretarse con cuidado.
No significa que cualquier panel solar pueda alcanzar automáticamente ese rendimiento en el océano ni que la tecnología esté preparada para sustituir a los grandes parques solares terrestres.
El resultado corresponde a dispositivos experimentales diseñados específicamente para aprovechar el espectro disponible bajo el agua.
La importancia del estudio está precisamente en demostrar que la ingeniería de materiales puede utilizarse para adaptar una célula solar a condiciones ambientales muy diferentes.
El agua salada plantea otro desafío: la estabilidad
Generar electricidad bajo el agua es solamente una parte del problema.
El ambiente marino es extremadamente exigente para los materiales electrónicos. El agua salada puede acelerar procesos de corrosión y degradación, mientras que la humedad y la exposición prolongada pueden afectar la estabilidad de determinados componentes.
Las células de perovskita también presentan desafíos relacionados con su estabilidad química y estructural.
Para mejorar este aspecto, los investigadores utilizaron un aditivo durante el proceso de cristalización del material.
El objetivo fue reducir defectos estructurales y limitar procesos asociados con la migración de iones, mejorando así la estabilidad del dispositivo.
Una prueba real en el Mar de China Meridional
La investigación fue más allá de las pruebas de laboratorio.
Los investigadores integraron los módulos fotovoltaicos en sistemas robóticos submarinos y realizaron pruebas de campo cerca de las islas Weizhou, en el Mar de China Meridional.
Los módulos fueron instalados aproximadamente a 10 metros de profundidad y expuestos a las condiciones reales de iluminación submarina.
Durante una prueba de aproximadamente dos horas, los sistemas consiguieron generar y almacenar alrededor de 324 mWh de energía en baterías de litio.
La electricidad generada fue suficiente para demostrar el funcionamiento autónomo de pequeños dispositivos electrónicos, incluidos sistemas de iluminación LED.
¿Para qué serviría la energía solar bajo el mar?
La principal oportunidad de esta tecnología no está en producir grandes cantidades de electricidad para hogares o ciudades.
Su verdadero potencial está en proporcionar energía autónoma a dispositivos que permanecen durante largos períodos bajo el agua.
Entre las aplicaciones posibles se encuentran:
Sensores submarinos
Los sensores utilizados para medir temperatura, salinidad, presión, calidad del agua y otros parámetros necesitan fuentes de alimentación.
Una fuente solar submarina podría ayudar a reducir la frecuencia con la que estos dispositivos deben ser recuperados para cambiar sus baterías.
Acuicultura inteligente
Las granjas marinas utilizan cada vez más sensores y sistemas automatizados para controlar las condiciones de cultivo.
Una fuente de energía local podría alimentar cámaras, sensores y sistemas de comunicación instalados en determinados puntos de las instalaciones.
Robots submarinos
Los vehículos submarinos autónomos, conocidos como UUV, necesitan energía para desplazarse, recopilar información y transmitir datos.
En el futuro, estaciones de carga alimentadas mediante energía solar submarina podrían ayudar a prolongar sus operaciones.
Investigación oceanográfica
Las estaciones científicas instaladas en el océano pueden beneficiarse de fuentes de energía autónomas.
Esto permitiría mantener determinados sensores y equipos funcionando durante periodos prolongados sin depender exclusivamente de baterías.
¿Cuánto tiempo podría funcionar una célula solar submarina?
La estabilidad a largo plazo es uno de los aspectos más importantes de esta tecnología.
Los investigadores realizaron estimaciones de durabilidad que apuntan a una posible operación de varios años bajo determinadas condiciones.
En el estudio se menciona una proyección de aproximadamente 5,5 años para las condiciones analizadas.
Sin embargo, esta cifra no debe interpretarse como una garantía de que todos los módulos comerciales puedan permanecer cinco años bajo el océano sin mantenimiento.
La durabilidad real dependerá de factores como:
- Profundidad.
- Temperatura.
- Salinidad.
- Presión.
- Corrientes marinas.
- Bioincrustación.
- Encapsulado.
- Calidad de los materiales.
- Exposición prolongada.
Estos factores deberán estudiarse a mayor escala antes de pensar en una implantación comercial generalizada.
¿Podría utilizarse esta tecnología para generar grandes cantidades de electricidad?
Por ahora, esa no parece ser la principal aplicación.
Un parque solar convencional instalado en tierra recibe mucha más radiación que una célula situada a varios metros bajo el agua.
Por ello, instalar enormes superficies fotovoltaicas en el fondo del océano para generar electricidad a escala de red presenta importantes desafíos técnicos y económicos.
El escenario más realista es diferente: utilizar estas células para alimentar pequeños sistemas electrónicos autónomos en lugares donde llevar electricidad mediante cables o sustituir baterías periódicamente resulta costoso.
La importancia de la perovskita en la próxima generación solar
La investigación también demuestra por qué las perovskitas son uno de los materiales más estudiados en el campo de la energía fotovoltaica.
Su capacidad para modificar sus propiedades mediante ingeniería de materiales permite explorar aplicaciones que van más allá de la generación solar convencional.
Los investigadores pueden diseñar células adaptadas a determinadas condiciones de iluminación, algo especialmente interesante para aplicaciones especializadas.
La energía solar podría así evolucionar desde una tecnología pensada principalmente para grandes instalaciones terrestres hacia una plataforma capaz de funcionar en ambientes mucho más diversos.
Los retos antes de llegar al mercado
A pesar de los resultados prometedores, todavía existen obstáculos importantes.
La fabricación a gran escala, el encapsulado, la resistencia a la corrosión, la bioincrustación y el mantenimiento deberán resolverse antes de que los sistemas solares submarinos puedan utilizarse de forma generalizada.
También será necesario evaluar el coste por unidad de energía generada.
Una tecnología puede alcanzar una eficiencia elevada en laboratorio y, al mismo tiempo, resultar demasiado costosa para determinadas aplicaciones comerciales.
Por eso, la siguiente etapa de investigación tendrá que demostrar no solamente que las células funcionan bajo el agua, sino que pueden hacerlo durante largos periodos y a un coste competitivo.
Una nueva frontera para la energía solar
La posibilidad de generar electricidad a varios metros bajo el océano representa un cambio interesante en la forma de entender la energía fotovoltaica.
En lugar de intentar utilizar exactamente las mismas células solares en cualquier ambiente, los investigadores están explorando materiales específicamente adaptados a diferentes condiciones.
La combinación de perovskitas, ingeniería espectral y encapsulado resistente podría convertirse en una herramienta para desarrollar fuentes de energía destinadas a sensores y dispositivos autónomos en entornos marinos.
Las células solares de perovskita desarrolladas para funcionar bajo el agua muestran que la energía fotovoltaica todavía tiene espacios tecnológicos por explorar.
Los experimentos realizados a aproximadamente 10 metros de profundidad demostraron que es posible aprovechar la reducida luz disponible bajo el océano para generar y almacenar electricidad.
Por ahora, la tecnología está mucho más orientada a sensores, robótica submarina, acuicultura e investigación científica que a reemplazar los grandes sistemas solares terrestres.
El verdadero avance consiste en demostrar que las células fotovoltaicas pueden adaptarse a un ambiente extremadamente diferente al de la superficie.
Si las investigaciones futuras consiguen mejorar la durabilidad, reducir costes y aumentar la producción a escala comercial, los océanos podrían convertirse en un nuevo escenario para la generación autónoma de energía.
Joule – revista científica de investigación energética
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