Un grupo de investigadores de Carolina del Norte ha desarrollado una manera de obtener más del doble de rendimiento de las células solares orgánicas mediante la adición de una capa de fibras ópticas verticales que actúan como trampas de luz solar.

David Carroll, profesor de física de la Universidad de Wake Forest, dirigió el desarrollo de un prototipo de célula solar que incorpora estas fibras. Él es el investigador principal de una empresa spin-off llamada FiberCell que está desarrollando un proceso de fabricación de bobina a bobina para producir las células. "Estamos en la cúspide de disponer de prototipos que convencerían a alguien de entrar en producción con esto", afirma Carroll.

Las mejores células solares orgánicas actuales tienen una eficiencia de casi el 8 por ciento, aunque se están realizando esfuerzos para desarrollar productos químicos orgánicos que elevarían la eficiencia de estas células por encima del 10 por ciento. Sin embargo, afirma Carroll, la mejora de los productos químicos por sí sola no será suficiente para ponerse al día con el rendimiento de las células de silicio. "La respuesta no reside en los productos química--se encuentra en la propia arquitectura de la célula", asegura éste. Carroll añade que el coste en dólares por vatio de la fabricación de células orgánicas a base de fibra debería ser aproximadamente el mismo coste que para las células orgánicas planas. "Sin embargo, pueden ser producidas en una fábrica que cuesta una décima parte que una fundición de silicio", señala él. Esto las haría mucho más baratas de producir que las células de silicio.

El problema con las células planas estándar, ya estén hechas de un material orgánico o inorgánico, es que se pierde una parte de la luz solar por reflexión. Para reducir este efecto, los fabricantes aplican capas células antirreflejo o graban la superficie de la célula para aumentar la absorción de fotones. El equipo de Carroll ha adoptado un enfoque más dramático mediante la adición de fibras ópticas sobre un sustrato polimérico que constituye la base de la célula.

Estas fibras, a las que Carroll se refiere como "tubos de luz", sobresalen de la superficie como gruesas cerdas. Están rodeadas por finas células solares orgánicas aplicadas mediante un proceso de inmersión. Además, también se rocía sobre la célula un tinte o polímero que absorbe la luz. La luz puede entrar por el extremo de las fibras en cualquier ángulo. Los fotones rebotan dentro de la fibra hasta que son absorbidos por la célula orgánica que las rodea.

Los investigadores probaron una célula de fibra de vidrio en el laboratorio y encontraron que la fibra mejora la absorción de luz aproximadamente la mitad. Carroll señala que las células también pueden producir el doble de vatios-hora en el transcurso de un día en comparación con las pantallas planas, ya que pueden recibir la luz desde diferentes ángulos. "Es lo mismo que tener un dispositivo plano apuntando directamente al sol durante todo el día", afirma él.

Otro equipo de investigadores del Georgia Tech está experimentando con células solares orgánicas basadas en fibra similares. Zhong Lin Wang, profesor de ciencia e ingeniería de los materiales en esta universidad, afirma que el enfoque tiene "grandes ventajas" respecto a los diseños convencionales de células planas. Su laboratorio ha desarrollado una célula híbrida compuesta de fibras ópticas y una pelusa de nanocables de óxido de zinc que se hace crecer en las paredes exteriores de las fibras. Los nanocables, tratados con tintes que absorben la luz, están destinados a proporcionar una mayor superficie para la captura de la luz solar. Wang afirma que este enfoque mejora la eficiencia en un factor de seis, aunque su laboratorio aún tiene que ir más allá de un solo hilo de fibra óptica. "Todavía estamos trabajando en la integración de múltiples fibras [sobre una] gran superficie", indica él.

Carroll comenzó su investigación en 2004, dando a la Universidad Wake una buena ventaja en el camino hacia la comercialización. "La mayoría de los dispositivos disponibles actualmente consisten en una única fibra", afirma él. Carroll también asegura que no hay una escasez de técnicas de procesamiento de roll-to-roll en el mercado que podrían hacer sustratos cubiertos de fibras ópticas. "Vamos a coger prestado de éstas; eso no es difícil de hacer", afirma él. "La sensibilidad al espesor de la película y la calidad de los revestimientos es mucho menor de lo que esperábamos, lo que significa que las rutas de fabricación son mucho más cerca de lo previsto inicialmente".

FiberCell está actualmente conversando con inversores y su objetivo es producir sus propias células orgánicas a base de fibra para tejas y otros productos que se beneficiarían de la posibilidad de aceptar la luz desde diferentes ángulos "Si consigue que esto tenga una eficiencia cerca de su máximo, entonces tendría un dispositivo que teóricamente debería ser capaz de superar el 15 por ciento de eficiencia, acercándose al 20 por ciento ", señala Carroll. Esto haría que la tecnología fotovoltaica orgánica fuera competitiva con los paneles de silicio, superiores en la actualidad.

John Paul Morgan, ingeniero óptico y director de tecnología de la empresa de energía solar fotovoltaica concentrada Morgan Solar, señala que el enfoque de FiberCell tendrá que competir con otras técnicas diseñadas para aumentar la superficie del panel y para captar más luz. Hacer crecer un bosque de nanocables fuertemente agrupados en la parte superior de un sustrato, por ejemplo, se ha demostrado que mejora la eficiencia de las células orgánicas.

"Las fibras ópticas son un enfoque interesante, pero al igual que en otros, el resultado se reduce a los retos de fabricación," afirma Morgan. "Todas las nuevas tecnologías de células se enfrentan a problemas con la humedad, las conexiones eléctricas, el uso y el desgaste. Si los consiguen superar, entonces ésta podría ser una idea muy viable. Estoy interesado en ver lo que viene después."