Baterías solares con un material que absorbe luz y almacena energía simultáneamente

La energía solar está en auge. El avance de la tecnología solar para capturar la mayor cantidad de luz posible, convertirla en energía y hacer que esté disponible para dar respuestas a las necesidades energéticas, es vital en la transición hacia un uso más sostenible de las fuentes energéticas.

En este proceso entre la captación de la luz por parte de la célula o celda solar y la demanda energética de, por ejemplo, los electrodomésticos de los hogares, el almacenamiento juega un papel crucial, ya que la disponibilidad de la energía solar presenta una intermitencia inherente. Para facilitar ese proceso de almacenaje y hacer frente a problemas como el impacto ambiental de su extracción, su reciclaje o la escasez de algunos de los materiales necesarios para las baterías convencionales, como el litio, nace el concepto de 'batería solar', que permite combinar las celdas solares que captan la luz con el almacenamiento de la misma en un mismo dispositivo, que permite luego usar la energía a demanda.

En este ámbito desarrolla su trabajo el investigador Alberto Jiménez-Solano, del Departamento de Física de la Universidad de Córdoba (UCO) en España, que, junto a un equipo del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido (Stuttgart, Alemania), que incluye a Bettina V. Lotsch y Andreas Gouder, ha realizado un estudio en el que explora las características de diseño de una batería solar ideada a partir de un material basado en nitruro de carbono 2D.

"En el grupo de la profesora Bettina V. Lotsch, del Instituto Max Planck, habían conseguido sintetizar un material capaz de absorber la luz y almacenar esa energía para emplearla posteriormente bajo demanda" explica Alberto Jiménez-Solano "y se nos ocurrió usarlo para crear una batería solar".

Para ello, primero tuvieron que depositar una capa delgada de ese material (nitruro de carbono potasio 2D, poli(heptazinaimida), K-PHI) creando un estructura estable para comenzar a fabricar un dispositivo fotovoltaico, ya que normalmente ese material se encuentra en forma de polvo o en suspensiones acuosas de nanopartículas.

Ese trabajo previo permitió que ahora presenten este diseño de batería solar en el que, combinando simulaciones ópticas y experimentos fotoelectroquímicos dan una visión de las características de este dispositivo con buen rendimiento a la hora de capturar la luz solar y almacenar la energía.

Alberto Jiménez-Solano. (Foto: UCO)

La estructura física del dispositivo consiste en "un vidrio de alta transparencia, que presenta un recubrimiento conductor transparente (para permitir el transporte de carga), y una serie de capas de materiales semitransparentes (con diferentes funcionalidades), y otro vidrio conductor que cierra el circuito" describe el investigador. Se trataría de una especie de 'sándwich' a partir de diversas capas cuyos grosores han sido estudiados para maximizar tanto el nivel de absorción de luz como el almacenamiento. En este caso, el sistema que proponen puede absorber la luz por ambos lados, ya que es semitransparente. Comprobaron, para ello, que la iluminación trasera tenía ciertas ventajas, algo que consiguieron dilucidar "haciendo un diseño teórico previo acorde a las restricciones experimentales", ya que este trabajo de ciencia básica no se queda en el papel, también explora los límites experimentales, proponiendo diseños factibles para estas baterías solares.

Este dispositivo presentaría una gran versatilidad, ya que permite tanto obtener una gran corriente de forma puntual (como la que necesita un flash de fotografía) como una corriente menor pero sostenida en el tiempo (como la que necesita un teléfono móvil).

En este trabajo, se demuestra el desempeño de este dispositivo basado en un material inocuo, abundante, sostenible medioambientalmente (se extrae de la urea) y fácil de sintetizar. Continuar estudiando su funcionamiento ante diversas situaciones, fuera de laboratorio y adecuándose a las posibilidades y necesidades de fabricación serían los siguientes pasos.

Jiménez-Solano, Gouder y sus colegas exponen los detalles técnicos de este revolucionario diseño en la revista académica Advanced Energy Materials, bajo el título “Bridging the Gap between Solar Cells and Batteries: Optical Design of Bifunctional Solar Batteries Based on 2D Carbon Nitrides”. (Fuente: UCO)