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JUAN PABLO MARTÍNEZpablo.martinez@uaslp.mxJOSÉ ÁNGEL PECINADIEGO R. ESPINOZA TREJOCOORDINACIÓN ACÁDEMICA REGIÓN ALTIPLANO, UASLP

El aumento de la conciencia sobre el agotamiento de las reservas de combustibles fósiles y la creciente demanda energética en el mundo, han dado lugar al aumento del desarrollo de la energía solar fotovoltaica (FV) por razones de seguridad energética y mitigación del cambio climático.

Recibido: 15.01.2019 I Aceptado: 15.02.2019

Palabras clave: Energía, fotovoltaico, nanotecnología, solar y sustentabilidad.

Celdas solares plásticas: alternativas hacia la transición energética en México

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Aunado a esto, la volatilidad de los

precios de los combustibles fósiles ha

favorecido la rentabilidad de la tecno-

logía solar FV. No obstante, las fluctua-

ciones en el precio del silicio, elemento

principal de las celdas solares conven-

cionales, son el factor clave que ha de-

tonado el crecimiento del mercado de

celdas solares “plásticas”, clasificadas

dentro las celdas fotovoltaicas de

tercera generación.

Las celdas solares de terce-

ra generación surgen

como una alter-

nativa y exce-

lente potencial

para la genera-

ción de electricidad a

gran escala y de bajo costo,

(Yan y Saunders, 2014). De hecho,

se estima que las celdas solares de

tercera generación serán una opción

viable para enfrentar el desafío del te-

rawatt relacionado con la generación

de electricidad solar (Smalley, 2005).

Este desafío proyecta que se necesi-

tarían 60 terawatts para proporcionar

el nivel de vida que disfrutó el mundo

desarrollado en el año 2004 (un par

de kilowatt-hora por persona) a la po-

blación de 10 000 millones de perso-

nas prevista para el año 2050, lo cual

equivale a un gasto de 900 millones

de barriles de petróleo por día.

El término celdas solares plásticas

alude a su naturaleza orgánica; es

decir, están constituidas principal-

mente por largas cadenas formadas

por un sinfín de átomos de carbono

conocidas como polímeros. En las

celdas solares plásticas se emplean

polímeros conocidos como orgánicos

fotovoltaicos (OFV), responsables de

la captación, almacenamiento y trans-

porte de energía; a diferencia de los

plásticos o polímeros comunes que

utilizamos todos los días (PVC, PET,

nylon, poliéster, acrílicos, entre otros),

los cuales no conducen electricidad

ni tampoco tienen propiedades fo-

tovoltaicas. Es probable que los OFV

más populares sean los utilizados

como diodos orgánicos de emisión

de luz (OLED, por sus siglas en inglés)

Figura 1.

Proyecto publicitario de la empresa Engie llamado Solar Graffiti, el cual presenta una instalación en un campo deportivo cerca de la Ciudad de México que combina el arte del graffiti con las películas solares de la compañía Heliatek.

UNIVERSITARIOS POTOSINOS 234 ABRIL 201920 MARTÍNEZ, J., PECINA, J. Y ESPINOZA , D. PÁGINAS 18 A 23

para la fabricación de televisores,

smartphones u otros disposi-

tivos electrónicos innovado-

res. Asimismo, en algunas

aplicaciones, las celdas sola-

res orgánicas podrían ser uti-

lizadas como sustitutos de

las de silicio, debido a que

son más ligeras, de menor to-

xicidad y su costo de producción

es significativamente más reducido

(Yan y Saunders, 2014).

La presencia de los OFV es hoy en día

una realidad en México, como ejem-

plo, la exhibición en mayo de 2018

del primer proyecto publicitario de la

empresa Engie llamado Solar Graffiti,

el cual presenta una instalación en un

campo deportivo cerca de la Ciudad

de México que combina el arte del

graffiti con las películas solares de la

compañía Heliatek para impulsar el

sistema de iluminación de las áreas

deportivas (figura 1). La instalación

fue calificada como una verdadera

obra de arte solar que consiste en la

aplicación de películas orgánicas so-

lares de Heliatek sobre muros y pisos

de una cancha de básquetbol, con un

resultado pintoresco que caracteri-

za los contrastes mexicanos. Ligeras,

flexibles y fáciles de instalar, las pelí-

culas solares se mezclan literalmente

con este paisaje artístico para brindar

a sus residentes una solución durade-

ra, potente y, por lo tanto, útil. Si bien

no pueden igualar la durabilidad y la

eficiencia de las celdas solares basa-

das en silicio inorgánico, las orgánicas

muestran potencial para proporcionar

energía a sensores remotos y tecno-

logías portátiles.

Desarrollo actual de celdas

solares orgánicas

En la situación actual de la nanotec-

nología en México destaca un cam-

po muy activo de investigación, en el

cual los nanomateriales orgánicos son

estudiados por diversos grupos de

todo el país. De acuerdo con un repor-

taje publicado el 23 de mayo de 2016

por la Agencia Informativa del Consejo

Nacional de Ciencia y Tecnología (Co-

nacyt), el cual se titula “Nanotech, a la

vanguardia en nanotecnología en Mé-

xico” escrito por Ana Luisa Guerrero, se

estima que México se ubica en el se-

gundo lugar de los países de América

Figura 2.

Representación gráfica de los fullerenos descubiertos por Kroto, Smalley y Curl en 1985.

ABRIL 2019 234 UNIVERSITARIOS POTOSINOS 21CELDAS SOLARES PLÁSTICAS

Latina (detrás de Brasil) con mayores

iniciativas y proyectos académicos y

de investigación en nanotecnología, de

infraestructura, número de publicacio-

nes, convenios internacionales y recur-

sos humanos trabajando en el área. En

dicho reportaje, basado en diferentes

artículos de divulgación, se menciona

que en el país existen 56 instituciones

y más de 159 laboratorios dedicados

a esta disciplina, que tiene en sus filas

a investigadores con alrededor de 340

proyectos de química, electrónica y fí-

sica, entre otros.

Los nanomateriales orgánicos pue-

den presentar diversas estructuras

geométricas a escala nanométrica,

como esferas, que corresponden a

los fullerenos descubiertos por Kro-

to, Smalley y Curl en el año de 1985

(figura 2); tubos, que aluden a los

nanotubos de carbono sintetizados

por primera vez por Sumio Iijima en

1991; y láminas, dícese del grafeno

descubierto por Geim y Novoselov en

el año 2004. Dichos nanomateriales

son posibles debido a la propiedad de

alotropía del elemento de carbono, la

La reducida eficiencia de conversión

de energía, en comparación con las

celdas solares inorgánicas, es también

otro desafío. En laboratorio, la eficien-

cia de las celdas solares orgánicas ba-

sadas en OFV alcanza poco menos de

14 por ciento, lo que está por debajo

de 20 por ciento de la eficiencia de los

paneles solares comerciales. Sin em-

bargo, una eficiencia de 14 por ciento

lograda recientemente representa un

notable avance si la comparamos con

la eficiencia de 3.5 por ciento conse-

guida en el año 2002 mediante un

nanomaterial derivado de politiofeno

(P3HT) y fullereno (PCBM). Además,

los avances recientes presentados

por Heliatek en el desarrollo de cel-

das solares orgánicas con estructura

tándem, las cuales apilan varias capas

de OFV juntas, han hecho posible in-

crementar la eficiencia de esta tecno-

logía emergente. De hecho, la ligere-

za, la transparencia, la flexibilidad, la

capacidad de producción a escala in-

dustrial y la presentación del producto

terminado en rollos sugieren que po-

drían encontrarse oportunidades po-

tenciales en el mercado fotovoltaico;

aunque debe tomarse en cuenta que

es poco probable que tales tecnolo-

gías derivadas de OFV reemplacen

en su totalidad a las celdas solares

tradicionales.

Las celdas solares orgánicas depen-

den, en gran medida, de los nano-

materiales de carbono y de los po-

límeros orgánicos para absorber la

luz y convertirla en electricidad. Este

proceso podría resultar atractivo para

ser aprovechado en dispositivos elec-

trónicos de bajo consumo en el lugar

de uso, que de otro modo requeri-

cual le permite formar varias estruc-

turas geométricas o alótropos con

interesantes aplicaciones médicas,

científicas e industriales. De hecho, el

estudio de las propiedades químicas

y físicas de estos nanomateriales es

crucial para desarrollar aplicaciones

como la síntesis de biomarcadores, la

construcción de dispositivos fotovol-

taicos orgánicos eficientes y el diseño

de materiales con alta resistencia a la

deformación térmica, la corrosión quí-

mica y al estrés mecánico.

Las celdas solares orgánicas son muy

prometedoras para la industria fo-

tovoltaica, pero su camino hacia la

comercialización es largo. La proli-

feración comercial de celdas solares

basadas en OFV se ha detenido de-

bido a que las materias primas para

su fabricación son costosas; a pesar

de que el proceso de fabricación es

considerablemente rentable, ya que

se basa en los mismos procesos de

manufactura que se han hecho por

casi un siglo (piense, por ejemplo, en

la fabricación de envases de PET). En-

tre las materias primas que elevan el

costo se encuentran el óxido de indio

y de estaño, los cuales son difíciles de

reemplazar. Asimismo, otro problema

radica en el tiempo de vida útil de la

celda solar orgánica. Esto se debe a

que los OFV y los cátodos hechos de

metal se oxidan cuando se exponen

al agua y al oxígeno. No obstante,

el tiempo de vida útil puede ser ex-

tendido al encapsular los materiales

sensibles al ambiente y, por lo tanto,

protegerlos de la rápida degradación.

Dicho proceso puede ser muy efecti-

vo sobre el vidrio, pero es más desa-

fiante en superficies flexibles.

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rían baterías, las cuales contienen

componentes tóxicos. Una aplicación

visionada, por ejemplo, es incorporar

las celdas solares orgánicas a los dis-

positivos de uso común, como lap-

tops o smartphones, y cargar su bate-

ría en cualquier lugar que deseemos,

en la ciudad o incluso de excursión a

campo abierto.

El proceso de fabricación de cel-

das solares orgánicas es en realidad

muy simple. Los nanomateriales y

polímeros semiconductores son di-

sueltos en solventes para imprimirse

en un soporte flexible utilizando una

producción continua en rollos, lo que

hace que esta tecnología sea espe-

cialmente atractiva. Esta imprenta no

de los estados de Zacatecas, Aguasca-

lientes, Guanajuato y Nuevo León tie-

nen niveles de irradiación similares al

Altiplano de San Luis Potosí. Tomando

en cuenta el recurso solar presente

en México, con la Reforma Energética

y la Ley de Transición Energética se

plantea que la energía eléctrica sea

de mayor calidad, más eficiente y, so-

bre todo, más limpia y de bajo costo.

De hecho, el desarrollo de tecnología

fotovoltaica basada en celdas solares

de silicio es actualmente impulsado

por el gobierno de México, tomando

como referencia la inauguración de la

Fábrica de Paneles Solares IUSASOL y

la Central Solar Fotovoltaica Don Ale-

jo (IUSASOL, 2015). En contraste, de

acuerdo con el sitio web del Gobierno

de Estados Unidos de América, www.

energy.gov, el programa gubernamen-

tal de Apoyo a Pequeñas Empresas

es diferente a la de un periódico co-

mún, pero en lugar de imprimir tres

colores primarios y el negro, se impri-

men las cuatro o cinco capas nece-

sarias para la celda solar, los diodos

y los transistores. La producción de

rollos largos y transparentes de celdas

solares orgánicas también permite

otras aplicaciones innovadoras como

recubrimientos de vehículos o facha-

das y ventanas de edificios (figura 3).

Tecnología fotovoltaica en México

La energía solar fotovoltaica es una de

las fuentes de energía renovable más

viables en México debido al gran re-

curso solar presente en todo el territo-

rio mexicano (figura 4). En el Altiplano

potosino se estima un valor promedio

anual de energía diaria de 5.7 kilowa-

tios hora por metro cuadrado (KWh/

m2). Además, en algunos municipios

Wh/m2-día

Irradiación Global(promedio anual)

4 330 - 4 4734 474 - 4 6164 617 - 4 7604 761 - 4 9034 904 - 5 0465 047 - 5 1905 191 - 5 3335 334 - 5 4765 477 - 5 6205 621 - 5 7635 764 - 5 9065 907 - 6 0506 051 - 6 1936 194 - 6 3366 337 - 6 480

Figura 4.

Irradiación solar en México.

Figura 3.

Recubrimientos de celdas orgánicas. Ejemplo de otra aplicación innovadora como recubrimientos de vehículos o fachadas y ventanas de edificios.

MARTÍNEZ, J., PECINA, J. Y ESPINOZA , D. PÁGINAS 18 A 23

ABRIL 2019 234 UNIVERSITARIOS POTOSINOS 23

Doctorado conjunto en la Universidad de Girona, España. Profesor investigador en el programa Ingeniería en Energías Renovables en la Coordinación Académica Región Altiplano, UASLP, en donde trabaja el proyecto “Estudio de fallas en capacitores a partir de sus propiedades electrónicas con aplicación a sistemas fotovoltaicos”.

JUAN PABLO MARTÍNEZ

para la Transferencia de Tecnología

(Small Business Technology Transfer)

promueve oportunidades altamente

competitivas para el desarrollo de tec-

nología con alto potencial comercial.

Los proyectos solares aprobados por

el Gobierno de Estados Unidos de

América desde 2013, los cuales repre-

sentan una inversión de 13.6 millones

de dólares, fomentan la innovación

tecnológica fotovoltaica. Por su parte,

Heliatek es una compañía alemana

que se dedica al aprovechamiento

de la energía fotovoltaica mediante

tecnologías derivadas de los OFV, la

cual ha sido impulsada por inversio-

nistas europeos que representan un

capital de 22.5 millones de dólares,

(Heliatek, 2016). Heliatek tiene un

récord mundial al obtener 13.2 por

ciento de eficiencia en celdas solares

orgánicas, lo que representa un gran

avance considerando que los paneles

fotovoltaicos actuales tienen una efi-

ciencia entre 12 y 25 por ciento, bajo

condiciones de prueba estándar, lo

cual implica una captación de energía

entre 120-250 W/m2. No obstante, la

tecnología y eficiencia de las celdas

solares orgánicas hoy en día no son lo

suficientemente aptas para competir

comercialmente. Como consecuen-

cia, grupos de investigación en Méxi-

co se enfocan en aumentar la eficien-

cia energética mediante proyectos

científico-tecnológicos, motivados por

contribuir al plan nacional que visiona

la sustentabilidad energética.

Diversas investigaciones en México

son inicialmente planteadas en el

contexto de la aprobación de la Ley

de Transición Energética, en la cual

se promueven desarrollos científi-

cos y tecnológicos de alternativas

energéticas eficientes, sustentables

y limpias. El propósito es que nues-

tro país genere 35 por ciento de la

electricidad que consumimos con

energías limpias para el año 2024.

Actualmente, los corporativos mexi-

canos han sido dictaminados para

que gestionen responsablemente

su consumo energético derivado del

petróleo y otros combustibles fósiles.

De esta manera, dentro de los prin-

cipales propósitos del desarrollo de

celdas solares de tercera generación

está contribuir en las metas naciona-

les e internacionales establecidas en

materia energética.

Los autores del presente artículo de

divulgación actualmente forman parte

del Cuerpo Académico de Tecnolo-

gías Aplicadas a Sistemas de Energías

Renovables, perteneciente al área de

Ingeniería en Energías Renovables de

la Coordinación Académica Región Al-

tiplano de la UASLP. Ellos han logrado

diversos avances en el campo de la

energía solar; principalmente en el

diagnóstico de fallas en sistemas foto-

voltaicos derivados de celdas solares

de silicio (Espinoza-Trejo, Bárcenas,

Campos-Delgado y De Angelo, 2015;

Espinoza-Trejo, Bárcenas, Hernández

Díez, Bossio y Espinosa Pérez, 2018;

Espinoza-Trejo et al., 2016). Asimis-

mo, mediante estudios basados en

simulaciones mecano-cuánticas, se

han descrito los procesos fotovoltai-

cos que ocurren en OFV, con el fin

de extraer información útil para incre-

mentar la eficiencia de la celda solar

(Martínez, Götz, Castillo-Alvarado y

Rodríguez, 2017).

Referencias bibliográficas: Espinoza-Trejo, D. R., Barcenas, E., Campos-Delgado, D. y De

Angelo, C. (2015). Voltage-oriented input-output lineariza-tion controller as Maximum Power Point Tracking technique for photovoltaic systems. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 62, pp. 3499–3507. https://doi.org/10.1109/TIE.2014.2369456

Heliatek. (2016). Sets New Organic Photovoltaic World Record Effciency of 13.2%. Recuperado de: http://www.heliatek.com/en/press/press-releases/details/helia-tek-sets-new-organicphotovoltaic-

Martínez, J. P., Trujillo-González, D. E., Götz, A. W., Castillo-Al-varado, F. L. y Rodríguez, J. I. (2017). Effects of Dispersion Forces on Structure and Photoinduced Charge Separation in Organic Photovoltaics. The Journal of Physical Chemistry C, 121, pp. 20134– 20140. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b05107

Smalley, R. E. (2005). Future Global Energy Prosperity: The Terawatt Challenge. Material Matters, 30, pp. 412– 417. https://doi.org/10.1557/mrs2005.124

Yan, J. y Saunders, B. R. (2014). Third-generation solar cells: a review and comparison of polymer:fullerene, hybrid polymer and perovskite solar cells. RSC Advances, 4, pp. 43286–43314. https://doi.org/10.1039/C4RA07064J

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