Las celdas solares de Popeye

Un grupo interdisciplinario de investigadores de la Universidad Vanderbilt ha podido desarrollar la celda solar bio-hibrida más eficiente con espinaca. Utilizaron las propiedades fotosintéticas del vegetal y las combinaron con un material semiconductor muy utilizado en microelectrónica y celdas solares “inorgánicas”: el silicio. Ya la están patentando.

Hace unos 40 años, se descubrió que una proteína llamada Photosystem 1 (PS1) involucrada en la fotosíntesis en vegetales podía seguir funcionando aun cuando estaba extraída de las espinacas. Además, esta proteína permite mejorar la eficiencia de las celdas solares en las cuales se incorpora en combinación con metales conductores o con semiconductores como el silicio gracias a su muy alta eficiencia cuántica propia. La eficiencia cuántica de un material utilizado en energía solar es su tasa de conversión de luz en electricidad, es decir su habilidad propia para convertir la luz en energía eléctrica. En el caso de la PS1, la eficiencia cuántica es casi del 100% (cada fotón de luz absorbida genera un electrón libre para que se produzca electricidad, en una tasa de casi uno a uno). Lo que permite medir esa habilidad es la fotocorriente (ver gráfica): cuando crece, mejor es la eficiencia.

Rendimiento de conversión record

La celda solar bio-hibrida de los investigadores David Cliffel y Kane Jennings de la Universidad Vanderbilt pudo entonces producir corrientes eléctricas (o en este caso fotocorrientes) 1,000 veces mayores a todas las otras celdas similares en las cuales se usan las propiedades de fotosíntesis de las proteínas. El avance es tan grande que dicen que si pueden seguir a este paso “podrían llegar a tener una tecnología madura de conversión de energía solar en solamente 3 años”. ¡Todo eso gracias a las espinacas!

Algunos estudiantes de licenciatura del grupo de Cliffel y Jennings llevaron un diseño de hace 2 años a un concurso nacional de energía en Estados Unidos y ganaron un premio que les va a permitir construir una nueva celda grande capaz de suministrar energía a varios dispositivos electrónicos. Se espera mucho de este prototipo ya que el último resultado que obtuvieron en el laboratorio demostró un aumento del 250% en comparación con la segunda mejor celda bio-híbrida.

En este nuevo diseño, pudieron acoplar las propiedades del sustrato de silicio a la proteína PS1, implantando átomos de un material dopador.

¿Ciencia ficción o realidad?

Uno de los problemas de este tipo de celdas bio-hibridas es su baja longevidad (de unas semanas a 9 meses para las celdas de la Universidad de Vanderbilt). Para mejorar la longevidad, pueden bajar la tasa de envejecimiento imitando a la naturaleza: en los arboles que no pierden sus hojas la PS1 funciona durante años. Otro reto para los tecnólogos es la alineación de la proteína sobre el sustrato de silicio. En las hojas, el proceso de conversión de la luz es óptimo porque las proteínas están perfectamente alineadas. En un dispositivo hecho por el hombre, el ordenamiento es más aleatorio que no permite una conversión optimizada. Dopar el silicio permite dirigir el flujo de la corriente de alguna manera; y si ayuda a mejorar el desempeño general, tampoco es óptimo.

Falta entonces bastante trabajo antes de tener celdas solares bio-hibridas comerciales pero es un resultado interesante y prometedor.