Sostenibilidad
Nanobarras de titanio: el futuro de los paneles solares
Cómo las propiedades reactivas del titanio a la luz mejoran el rendimiento solar
La reacción de algunos metales o elementos específicos a la luz ya es un aspecto fundamental del mundo moderno. Esto aplica, por supuesto, al silicio presente en los paneles solares, pero también a numerosos sensores, dispositivos electrónicos y otros equipos sensibles a la luz.
Uno de estos metales es el titanio. Si bien gran parte de su reputación se debe a que es una especie de "superacero", fuerte pero mucho más ligero y resistente a la corrosión, este no es su principal uso.
Dióxido de titanio (TiO2) consume el 95 % del mineral de titanio en bruto extraído y se utiliza como un pigmento blanco permanente y fuerte en pinturas, papel, pasta de dientes y plásticos. Este pigmento es resistente a la luz solar y químicamente inerte. Posteriormente, puede mezclarse con productos químicos para crear colores y pinturas vibrantes.
Las mismas propiedades ópticas son la razón por la que también se utiliza en protectores solares, gracias a su capacidad de reflejar y absorber los rayos UV.
Fuente: Chemours
Otro ejemplo de las extraordinarias propiedades ópticas del titanio son las perovskitas, un tipo de cristal natural compuesto de óxido de calcio y titanio (CaTiO₃). Las células solares de perovskita, también conocidas como células solares de película delgada, pueden instalarse en combinación con silicio o como células solares independientes.
Fuente: Departamento de Energía
Es por esto que los científicos están buscando formas de hacer que el titanio reaccione aún más con la luz solar y otras fuentes de luz.
Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China y de la Academia de Ciencias de China han descubierto una nueva forma de cultivar matrices de nanobarras de dióxido de titanio (TiO₂-NA) y han demostrado su aplicación en células solares de alto rendimiento.
Publicaron sus resultados en la revista científica Small Methods1, bajo el título "Revelando los principios de crecimiento y fotovoltaicos en matrices de nanobarras de TiO2 con densidad controlable para celdas solares eficientes.
Nanobarras de metal
En lo que respecta a las reacciones químicas u ópticas, la superficie de una superficie metálica es importante. Si es lisa, tendrá aproximadamente el tamaño del material tal como se ve a simple vista.
Pero si tiene microestructuras más complejas, puede tener docenas o cientos de veces más superficie de contacto, aumentando la eficiencia y la velocidad de la reacción deseada.
Por ejemplo, así es como Los investigadores están utilizando nanobarras de níquel para catalizar la producción de hidrógeno sin metales preciosos como el platino..
El mismo método se puede utilizar para crear nanobarras de titanio, que miden apenas unos pocos nanómetros de diámetro.
Fuente: ResearchGate
Se sabe que las nanobarras de TiO₂ monocristalinas son excelentes para captar luz y conducir carga, lo que las hace ideales para células solares, fotocatalizadores y sensores.
Sin embargo, los métodos de fabricación tradicionales tienen dificultades para controlar todos los parámetros simultáneamente, como la densidad, el diámetro y la longitud de la varilla. Al menos hasta ahora.
Cómo se logra el crecimiento controlado de nanobarras
Los investigadores mejoraron una etapa donde la película se somete a un tratamiento hidrotérmico, donde las nanopartículas se convierten in situ en rutilo (una forma de dióxido de titanio).
Fuente: ResearchGate
Sirven como semillas para el posterior crecimiento de las nanobarras. Este método proporciona una manera eficaz de controlar la densidad de las barras sin alterar las dimensiones de las nanobarras.
Fuente: ResearchGate
De esta manera, los investigadores lograron por primera vez producir varillas de diámetro y altura constantes, incluso cuando variaba el número de varillas por área.
Fuente: ResearchGate
Nanobarras de titanio para la eficiencia de las células solares de próxima generación
Estas nanobarras se incorporaron a células solares de CuInS₂ (sulfuro de cobre e indio) procesadas a baja temperatura. Este tipo de panel solar, aún en desarrollo, podría ser una alternativa posible y no tóxica a los semiconductores a base de cadmio.
Fuente: ResearchGate
Las nanobarras de titanio mejoraron la captura de luz, la separación de carga y la recolección de portadores de la célula solar.
La célula solar alcanzó una eficiencia de conversión de energía del 10.44%, un nuevo récord para este tipo de célula solar.
Esto no quiere decir que las células solares de CuInS₂ estén todavía preparadas para aplicaciones comerciales, como las células de silicio más comunes o incluso las células de película fina de perovskita y telururo de cadmio, todas con una eficiencia superior al 20%.
Sin embargo, el diseño es prometedor, ya que podría fabricarse en masa (sintetizarse y procesarse mediante métodos basados en soluciones) y, teóricamente, podría ser tan eficiente como las células de silicio.
Este tipo de material también podría integrarse en otros diseños de células solares, como capa principal de absorción de luz en un diseño más complejo que incorpore otros elementos.
Comparación de tecnologías de células solares
Para comprender mejor la posición de las células solares de nanobarras de CuInS₂ + TiO₂, aquí se comparan con otros tipos destacados:
| Tipo de célula solar | Material primario | Eficiencia energetica | Toxicidad | Preparación comercial |
|---|---|---|---|---|
| Silicio | Silicio cristalino | ~20–25 % | No es tóxico | Comercial |
| Perovskita | Óxidos de calcio y titanio | >20% (laboratorio) | Bajo a moderado | Precomercial |
| Nanobarras de CuInS₂ + TiO₂ | Sulfuro de cobre e indio + dióxido de titanio | 10.44% (récord) | No es tóxico | Emparejamiento |
| CdTe (Primera energía solar) | Telururo de cadmio | 18-22% | Moderado (Reciclable) | Comercial |
Invertir en energía solar
Primero Solar, Inc.
(FSLR )
First Solar es el mayor fabricante de paneles solares de EE. UU. y de todo el hemisferio occidental, con plantas de fabricación en EE. UU., Malasia y Vietnam.
La empresa no utiliza la clásica tecnología de silicio cristalino y en su lugar utiliza su propia tecnología fotovoltaica de película delgadaBasados en telururo de cadmio, son más eficientes, se producen a menor costo y se pueden fabricar en masa fácilmente. Los paneles solares de película delgada también son más duraderos, conservando el 89 % de su rendimiento original después de 30 años.
Fuente: First Solar
El cadmio y el telururo son subproductos de la minería de otros metales, lo que significa que los productos First Solar tienen un impacto mínimo, utilizando recursos que antes eran de poca utilidad. Los paneles de película fina también pueden tener una alta tasa de reciclaje.
La ventaja tecnológica de First Solar, combinada con su ubicación geográfica, lo convierte en el probable beneficiario del creciente impulso de los países occidentales para obtener sus paneles fuera de China.
La empresa está aumentando rápidamente su capacidad de producción, con el objetivo de alcanzar una capacidad nominal de 25 GW para 2026, desde los 11 GW actuales.
Si bien hoy en día se centra en producir paneles solares de telururo de cadmio más maduros, First Solar está explorando otras tecnologías de película delgada a medida que estén listas para la producción a escala comercial.
En particular, comentó en su presentación a los inversores que la perovskita debería tener un “Línea de desarrollo preparada para producir muestras de tecnología de perovskita, simulando condiciones similares a las de fabricación.
First Solar ha gastado un total acumulado de 2 millones de dólares en I+D desde su creación.
En general, First Solar es un líder tecnológico que se beneficiará de los aranceles a las importaciones chinas, algo que probablemente compensará el efecto negativo de la reelección de Trump en la industria solar.
Si bien hasta ahora se ha centrado principalmente en la energía solar de película fina que utiliza telururo de cadmio, su experiencia en la fabricación de paneles solares sin silicio podría darle una importante ventaja en los paneles solares de perovskita u otros basados en titanio, especialmente teniendo en cuenta sus profundos vínculos con algunos de los principales investigadores en este campo.
Últimas noticias y desarrollos de acciones de First Solar (FSLR)
Estudio referenciado
1. Wenbo Cao, Chao Dong, Chaofan Zheng, Jiajin Kuang, Yang Wang, Faisal Naveed, Mengqi Jin, Yingying Dong, Chong Chen, Mingtai Wang. Revelando los principios de crecimiento y fotovoltaicos en matrices de nanobarras de TiO2 con densidad controlable para células solares eficientes. Pequeños métodos. 22 de abril de 2025. https://doi.org/10.1002/smtd.202500264
