Una ventana solar creada por científicos de la Universidad Estatal de Michigan, en East Lansing, alcanzó una eficiencia del 5% utilizando energía fotovoltaica orgánica.
RICHARD LUNT/MICHIGAN STATE UNIVERSITY
Lance Wheeler mira los rascacielos de cristal y ve un potencial sin explotar. Las casas y los edificios de oficinas, dice, representan el 75% del uso de electricidad en Estados Unidos, y el 40% de su uso de energía en general. Las ventanas, al tener fugas de energía, son una parte importante del problema. «Todo lo que podamos hacer para mitigarlo tendrá un impacto muy grande», dice Wheeler, experto en energía solar del Laboratorio Nacional de Energías Renovables de Golden, Colorado.
Una serie de resultados recientes apunta a una solución, dice: Convertir las ventanas en paneles solares. En el pasado, los científicos de materiales han incrustado películas que absorben la luz en el cristal de las ventanas. Pero estas ventanas solares suelen tener un tinte rojizo o marrón que los arquitectos consideran poco atractivo. Las nuevas tecnologías de ventanas solares, sin embargo, absorben casi exclusivamente la luz ultravioleta (UV) o infrarroja invisible. De este modo, el vidrio queda despejado y se bloquea la radiación UV e infrarroja que normalmente se filtra a través de él, y que a veces produce un calor no deseado. Al reducir la ganancia de calor a la vez que generan energía, las ventanas «tienen enormes perspectivas», dice Wheeler, incluida la posibilidad de que un gran edificio de oficinas pueda alimentarse a sí mismo.
La mayoría de las células solares, como las de silicio cristalino estándar que dominan el sector, sacrifican la transparencia para maximizar su eficiencia, el porcentaje de la energía de la luz solar convertido en electricidad. Las mejores células de silicio tienen una eficiencia del 25%. Mientras tanto, una nueva clase de materiales opacos para células solares, denominados perovskitas, se acercan al silicio con eficiencias máximas del 22%. Las perovskitas no sólo son más baratas que el silicio, sino que también pueden ajustarse para absorber frecuencias específicas de luz modificando su receta química.
Esta semana, en Joule, un equipo dirigido por Richard Lunt, ingeniero químico de la Universidad Estatal de Michigan, en East Lansing, informa de que ha ajustado los materiales para desarrollar una ventana solar de perovskita que absorbe los rayos UV con una eficiencia del 0,5%. Aunque esta cifra está muy por debajo de la eficiencia de las mejores células de perovskita, Lunt afirma que es lo suficientemente alta como para impulsar otra tecnología de ventanas: un vidrio oscurecedor a demanda que detiene la luz intensa en el calor del día, reduciendo así la necesidad de aire acondicionado de un edificio. Lunt cree que su equipo tiene un camino claro para llegar a eficiencias del 4% en los próximos años. A ese ritmo, las células podrían alimentar parte de la iluminación y el aire acondicionado del edificio.
En el otro extremo del espectro está la luz infrarroja, que incide en la superficie de la Tierra con más intensidad que la luz ultravioleta y, por tanto, puede generar más electricidad. El año pasado, en Nature Energy, el equipo de Lunt informó de que había fabricado células transparentes que absorben la luz ultravioleta y la infrarroja con una eficiencia del 5%, utilizando fotovoltaicos «orgánicos», es decir, sándwiches de películas finas de semiconductores orgánicos y metales. Lunt afirma que los futuros sistemas que unan las perovskitas que captan los rayos UV con los orgánicos que captan los infrarrojos podrían alcanzar eficiencias del 20%, sin dejar de ser casi totalmente transparentes.
Un tercer enfoque para conseguir ventanas solares transparentes se basa en los llamados concentradores solares luminiscentes. En estas ventanas, los puntos cuánticos, que son diminutas partículas semiconductoras, absorben la luz en las frecuencias ultravioleta e infrarroja y la reemiten en las longitudes de onda que captan las células solares tradicionales. La luz reemitida se concentra y se desvía lateralmente, a través del cristal, hacia las tiras de células solares incrustadas en el marco de la ventana. Como los puntos cuánticos son baratos de fabricar y sólo se necesita una pequeña cantidad de material de célula solar para capturar la luz reemitida, estas ventanas solares prometen ser baratas. Además, las células solares funcionan mejor bajo una luz intensa y concentrada. Victor Klimov, químico del Laboratorio Nacional de Los Álamos, en Nuevo México, y sus colegas ya han alcanzado una eficiencia del 3,1%, según informaron en enero en Nature Photonics.
No hay que descartar todavía las ventanas semitransparentes, dice Michael McGehee, experto en ventanas solares y perovskitas de la Universidad de Stanford, en Palo Alto (California). El año pasado, por ejemplo, el Departamento de Energía de Estados Unidos concedió 2,5 millones de dólares a Next Energy Technologies, de Santa Bárbara (California), para perfeccionar sus ventanas de células solares orgánicas semitransparentes. La empresa ha alcanzado eficiencias del 7% con ventanas que absorben la mitad de la luz solar incidente que incide sobre ellas, incluida la luz visible. Eso las oscurece en comparación con el vidrio transparente, pero como absorben la luz de todo el espectro y no de frecuencias específicas, no adquieren el antiestético tono rojizo o marrón. «Resulta que una ventana que absorbe aproximadamente la mitad de la luz en todo el espectro visible tiene un aspecto estupendo», dice McGehee, que también es asesor de la empresa.
Wheeler no está seguro de qué tecnología acabará siendo la mejor. Un factor será la toxicidad: El vidrio se rompe y muchas tecnologías de ventanas solares contienen una pequeña cantidad de materiales tóxicos. Además, las tecnologías tienen que ser lo suficientemente duraderas como para aguantar décadas, tal y como exige el sector de la construcción. Pero dice que es seguro esperar que los edificios del futuro no tomen toda la energía de la red. También la generarán. «Los constructores tienen que poner ventanas de todos modos», dice Wheeler. «¿Por qué no aprovechar esas ventanas?»