En algunos años, las personas de aldeas remotas del mundo en desarrollo pueden fabricar sus propios paneles solares, a bajo costo, utilizando como materia prima residuos agrícolas que de otro modo serían inútiles.

Esa es la visión del investigador del MIT Andreas Mershin, cuyo trabajo aparece esta semana en la revista de acceso abierto Informes científicos . El trabajo es una extensión de un proyecto iniciado hace ocho años por Shuguang Zhang, científico investigador principal y director asociado del Centro de Ingeniería Biomédica del MIT. Zhang fue el autor principal del nuevo artículo junto con Michael Graetzel de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne de Suiza.

En su obra original, Zhang pudo alistar un complejo de moléculas conocido como fotosistema-I (PS-I), las diminutas estructuras dentro de las células vegetales que llevan a cabo la fotosíntesis. Zhang y sus colegas derivaron el PS-I de plantas, lo estabilizó químicamente y formó una capa sobre un sustrato de vidrio que podría, como una celda fotovoltaica convencional, producir una corriente eléctrica cuando se exponga a la luz.

Pero ese sistema inicial tenía algunos inconvenientes. Montarlo y estabilizarlo requirió productos químicos costosos y equipo de laboratorio sofisticado. Además, la célula solar resultante era débil:su eficiencia era de varios órdenes de magnitud demasiado baja para ser de alguna utilidad, lo que significa que tenía que dispararse con un láser de alta potencia para producir cualquier corriente.

Ahora Mershin dice que el proceso se ha simplificado hasta el punto de que prácticamente cualquier laboratorio podría replicarlo, incluidos los laboratorios de ciencias de la universidad o incluso de la escuela secundaria, lo que permite a los investigadores de todo el mundo comenzar a explorar el proceso y realizar más mejoras. La eficiencia del nuevo sistema es 10, 000 veces mayor que en la versión anterior, aunque al convertir solo el 0,1 por ciento de la energía solar en electricidad, todavía necesita mejorar otras diez veces más o menos para ser útil, él dice.

La clave para lograr esta enorme mejora en la eficiencia, Mershin explica, estaba encontrando una manera de exponer al sol mucho más complejo PS-I por área de superficie del dispositivo. El trabajo anterior de Zhang simplemente produjo una capa delgada y plana del material; La inspiración de Mershin para el nuevo avance fueron los pinos en un bosque.

Mershin, un científico investigador en el MIT Center for Bits and Atoms, notó que si bien la mayoría de los pinos tenían troncos desnudos y un dosel de ramas solo en la parte superior, algunos tenían pequeñas ramas a lo largo del tronco, capturando cualquier luz solar que se filtrara desde arriba. Decidió crear un bosque microscópico en un chip, con PS-I cubriendo sus "árboles" de arriba a abajo.

Convertir esa información en un dispositivo práctico requirió años de trabajo, pero al final Mershin pudo crear un pequeño bosque de nanocables de óxido de zinc (ZnO), así como una nanoestructura de dióxido de titanio (TiO2) similar a una esponja recubierta con el material recolector de luz derivado de bacterias. Los nanocables no solo sirvieron como estructura de soporte para el material, sino también como cables para llevar el flujo de electrones generados por las moléculas hasta la capa de material de soporte, desde el cual podría conectarse a un circuito. "Es como un nanobosque eléctrico, ”, Dice.

Como beneficio adicional, Tanto el óxido de zinc como el dióxido de titanio, el ingrediente principal de muchos protectores solares, son muy buenos para absorber la luz ultravioleta. Eso es útil en este caso porque los rayos ultravioleta tienden a dañar PS-I, pero en estas estructuras esa luz dañina es absorbida por la estructura de soporte.

Mershin piensa que debido a que él y sus colegas ahora han bajado la barrera de entrada para seguir trabajando en estos materiales, el progreso hacia la mejora de su eficiencia debería ser rápido. Por último, una vez que la eficiencia alcanza el 1 o el 2 por ciento, él dice, eso será lo suficientemente bueno como para ser útil, porque los ingredientes son tan baratos y el procesamiento tan simple.

"Puedes usar cualquier cosa verde, incluso recortes de césped ”como materia prima, él dice - en algunos casos, desperdicio que, de otro modo, la gente pagaría por llevarse. Si bien se utilizaron centrífugas para concentrar las moléculas de PS-I, el equipo ha propuesto una forma de lograr esta concentración mediante el uso de membranas económicas para la filtración. No se necesitan condiciones especiales de laboratorio, Mershin dice:"Puede estar muy sucio y todavía funciona, por la forma en que la naturaleza lo ha diseñado. La naturaleza trabaja en entornos sucios, es el resultado de miles de millones de experimentos durante miles de millones de años ".

Debido a que el sistema es tan barato y simple, espera que esto se convierta en una "forma de hacer llegar electricidad de baja tecnología a personas que nunca han sido consideradas consumidores o productores de tecnología de energía solar". Espera que las instrucciones para fabricar una celda solar sean lo suficientemente simples como para reducirlas a "Una hoja de instrucciones de dibujos animados, sin palabras ”. El único ingrediente que se compraría serían productos químicos para estabilizar las moléculas de PS-I, que se puede empaquetar de forma económica en una bolsa de plástico.

Esencialmente, Mershin dice:dentro de unos años un aldeano en un remoto, una ubicación fuera de la red podría "llevar esa bolsa, mézclelo con cualquier cosa verde y píntelo en el techo ”para comenzar a producir energía, que luego podría cargar teléfonos celulares o linternas. Hoy dia, la fuente de iluminación más utilizada en esos lugares son las linternas de queroseno:"las más caras, forma de iluminación más malsana que existe, él dice. “La iluminación nocturna es la forma número uno de salir de la pobreza, ”Agrega, porque permite a las personas que trabajan en el campo todo el día leer por la noche y obtener una educación.

Babak Parviz, profesor asociado de ingeniería eléctrica en la Universidad de Washington que se especializa en bionanotecnología, dice que este es “un artículo muy interesante y un paso muy agradable hacia la integración de biomoléculas para la construcción de células solares. Esto muestra un primer paso muy prometedor y creativo hacia la construcción de células fotovoltaicas orgánicas que pueden usar núcleos producidos biológicamente (naturalmente) ”. Agrega que, si bien el sistema actual aún necesita más desarrollo, “further work in the field can perhaps improve the stability and performance of these devices.”

The research was funded in part by an unrestricted grant from Intel Corp., and also included researchers at the University of Tennessee.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.