Orgánicos fotovoltaicos en México y su implementación

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1 Nombre y Apellido: Daniel Hernández Maldonado Universidad actual: Université Paul Sabatier-Toulouse III Director(a) de tesis: Kathleen Moineau Grado académico en curso y área de investigación: Doctorado en Ciencia de los Materiales Contacto: daniel.hernandez@lcc-toulouse.fr Orgánicos fotovoltaicos en México y su implementación Introducción La reducción de las reservas de combustibles fósiles en el mundo, su difícil extracción, y la contaminación derivada del uso y explotación de los mismos, nos muestran la urgente necesidad de contar con otras fuentes de energías renovables, tales como: eólica, biogas, solar, entre otras. En este artículo, se tratará específicamente una de las modalidades de la energía solar, los orgánicos fotovoltaicos. Es una tecnología muy reciente, que data de aproximadamente principios de los años 2000 y que muestra un progreso considerable y prometedor. A continuación, explicaremos en qué consiste esta tecnología, su funcionamiento y los avances en su implementación en México. Contexto de los Electrónicos Orgánicos Para poder entender el funcionamiento de los Orgánicos Fotovoltaicos habrá que explicar su contexto y dónde se sitúa en el mundo de los Electrónicos Orgánicos. La Electrónica Tradicional, emplea semiconductores inorgánicos a base de Silicio, algunas sales de Galio o Germanio, entre otros, para fabricar diversos dispositivos que usamos cotidianamente en el día a día; como pueden ser los transistores, LED s, microprocesadores, fibra óptica, etc. Por otro lado, en la Electrónica Orgánica, el principal componente utilizado es un material constituido por un gran conjunto de moléculas, las cuales tienen un número definido de compuestos orgánicos, es decir que están basados en Carbonos e Hidrógenos principalmente. Como ejemplo de un componente orgánico, podemos citar al poliacetileno, un polímero semiconductor que dio lugar al Premio Nobel en el año 2000 por su importante conductividad a. El poliacetileno debe esta propiedad a su estructura, la cual presenta una alternancia serial de enlaces dobles y sencillos Carbono-Carbono. Los enlaces químicos dobles son representados por orbitales energéticos llamados π. Estos orbitales-π, son la clave de la Electrónica Orgánica porque en ellos se lleva a cabo la transferencia de carga. En otras palabras, los electrones y huecos viajarán a través de estos orbitales-π del material generando una corriente eléctrica y una diferencia de potencial. a En 1978, Hideko Shirakawa, Alan Heeger y Alan MacDiarmid descubren los polímeros conductores. Ellos publican su descubrimiento en el artículo titulado: «Synthesis of electrically contucting organic polymers» y son galardonados con el Premio Nobel de Química en el año 2000.

2 Figura 1. Representación del poliacetileno y de sus orbitales-π. Entre los diferentes tipos de dispositivos electrónicos orgánicos se encuentran: transistores (OTFT s), diodos electroluminiscentes (OLED s), sensores y los orgánicos fotovoltaicos (OPV). Orgánicos Fotovoltaicos Una vez que hemos situado el contexto de los Orgánicos Fotovoltaicos podemos hablar de sus ventajas y desventajas, y así poder analizar por qué esta tecnología es prometedora y ha generado tanta expectativa en el mundo de la Química durante la última década. Entre los atributos que podemos enumerar tenemos: Bajos costos de procesamiento, Producción más sencilla, Superficies largas / celdas flexibles, Dispositivos inalámbricos móviles, Transparencia Figura 2. Panel solar flexible de Heliatek, Alemania. Al comparar costos con el de sus competidores inorgánicos, principalmente el Silicio, que a pesar de tener rendimientos de conversión eléctrica superiores, su procesamiento representa un costo muy elevado, ya que requieren condiciones de fabricación de muy alto valor, y que ha restringido su uso masivo (Maldonado Rivera). De la misma manera, las celdas solares orgánicas pueden eventualmente ser fabricadas con procesos más sencillos, utilizando diversas técnicas de impresión (roll to roll, screen printing, ink-jet printing, incluso sobre sustratos plásticos) lo que daría flexibilidad a los dispositivos y los haría mucho más ligeros (Brédas). Gracias a estas técnicas y a las propiedades de los materiales se requieren películas muy delgadas, lo que se traduce a una disminución en la cantidad de material necesario para cubrir largas superficies. Esta tecnología puede ser fácilmente adaptada a dispositivos móviles o portátiles debido a las características ya antes mencionas. Además, una propiedad

3 interesante, es la transparencia de estos paneles, lograda por los laboratorios HELIATEK en Alemania, donde ya se han instalado diversos prototipos en ventanas de edificios y automóviles con el objetivo de aprovechar cualquier espacio y superficie para poder obtener energía eléctrica. Figura 3. Ejemplos de prototipos de celdas solares donde se aprovecha al máximo la propiedad de la transparencia, Heliatek, Alemania. Entre las desventajas de los fotovoltaicos orgánicos se tienen las siguientes: Rendimientos de conversión de luz más bajos, Corta duración de vida (susceptibilidad H 2 O y O 2 del ambiente). Prometen ser reciclados o eliminados, al finalizar su vida útil. Las diversas desventajas que presentan los OPV s (Organic Photovoltaics, por sus siglas en inglés) se pueden concebir como retos y áreas de oportunidad de investigación. En la actualidad, grupos de investigación han hecho pruebas para poder determinar la duración de vida y la estabilidad química de los materiales (Jørgensen). Otro punto crucial, es saber qué es lo que se hará con los materiales empleados en las celdas orgánicas, una vez que estos hayan finalizado su vida útil, y poder calcular el impacto ambiental que se ocasionaría (Kaiser). Por otro lado, no hay que olvidar que la industria química en general, produce grandes cantidades de desechos. Actualmente, no se puede encontrar este tipo de productos en el mercado, pero la tecnología en desarrollo es muy prometedora y genera mucha expectativa. Evolución de los Orgánicos Fotovoltaicos Es importante mencionar que durante los últimos 10 años los OPV s han tenido un aumento significativo en relación a la conversión fotovoltaica del 2% con el que comenzaron en sus inicios hasta aproximadamente un 12% hoy en día ( Best Research Cell Efficiencies).

4 Gráfica 1. Gráfico con las eficiencias récord de los diferentes tipos de celdas solares, realizado por National Center for Photovoltaics (NCPV) del NREL, US. Se puede apreciar en la parte inferior de la Gráfica 1, cómo los rendimientos de los orgánicos fotovoltaicos han crecido de forma exponencial durante la última década. Funcionamiento de los Orgánicos Fotovoltaicos El proceso para producir electricidad a partir de la absorción de luz es el efecto fotovoltaico y el dispositivo que ilustra este proceso con materiales orgánicos es la celda solar orgánica. La celda solar orgánica, en su parte activa, está compuesta principalmente de dos materiales orgánicos de naturaleza distinta, por un lado debe de haber un material que sea donador de electrones y por otro lado, de un material que sea aceptor de electrones. La parte de la celda constituida por el donador y el aceptor de electrones llega a medir alrededor de 100 nm de grosor, lo que puede a equivaler al ancho de un cabello humano. Estos materiales necesitan estar en contacto y presentar cierta organización entre ellos para que puedan interactuar dentro de la celda. Ambos materiales van a interactuar gracias a sus orbitales-π (dobles y triples enlaces). Figure 4. Ejemplo de la organización intermolecular de varias cadenas de polímero P3HT (poli(3-hexiltiofeno)) gracias a la interacción de sus orbitales-π ( π-stacking). El P3HT es uno de los donadores de electrones más usados en el mundo de los OPV s.

5 Cuando una celda se ilumina, la luz (fotones) es absorbida por los materiales orgánicos, los cuales pasan a un estado excitado de alta energía, produciéndose como consecuencia de esta excitación un excitón. Un excitón es una pareja electrón-hueco fuertemente unida por la atracción Coulombiana. El excitón deberá desplazarse entre las moléculas orgánicas gracias a los orbitales-π que éstas presentan, ocurriendo posteriormente una disociación de éste, es decir, una disociación de cargas (la separación de los huecos y electrones); y son estos huecos y electrones libres quienes migran a sus respectivos electrodos produciendo una corriente y una diferencia de potencial o voltaje (Pérez Gutiérrez y Maldonado Rivera). Esto puede resumirse en la Erreur! Source du renvoi introuvable.. Figura 5. Diagrama que ejemplifica las 4 etapas principales del proceso fotovoltaico: 1. Generación de un par electrón-hueco (excitón). 2. Difusión del excitón a través de los materiales. 3. Disociación del excitón (separación de cargas). 4. Transporte de las cargas rumbo a los electrodos correspondientes. En seguida, mostraremos algunos ejemplos del estilo de materiales con los que trabajamos en el Laboratoire de Chimie de Coordination (Toulouse, Francia). Gracias a la Ingeniería Molecular, podemos modificar la estructura química de los compuestos orgánicos controlando así, algunas de sus propiedades mecánicas, ópticas y electrónicas. Figura 6 Ejemplo de moléculas usadas en la elaboración de celdas solares orgánicas (Zhou, Lundy y Hou) Desarrollo de Orgánicos Fotovoltaicos en México En la actualidad, cada vez podemos encontrar más laboratorios en México que se dedican a la elaboración de materiales orgánicos para celdas solares. Entre ellos podemos enlistar varias universidades entre las que destacan la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) y el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (CINVESTAV)

6 que han recibido apoyos financieros por parte del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) y de la Secretaría de Energía de México (SENER) para poder elaborar nuevos materiales destinados a los OPV s. Por la parte de la elaboración y optimización de las celdas solares orgánicas, el laboratorio que sobresale en el país, es el Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) con sede en León, Guanajuato; en particular el Grupo de Propiedades Ópticas de la Materia (GPOM). Este grupo ha logrado ser portador de diversos proyectos líderes financiados por el CONACYT y la SENER para poder poner a México en la competencia mundial por obtener mejores rendimientos de fotoconversión. El GPOM cuenta con la infraestructura adecuada y tecnología de punta para poder destacar en este ámbito. Gracias a la colaboración de distintos grupos de físicos y químicos nacionales e internacionales, en México se han alcanzado rendimientos de conversión alrededor del 5% (Maldonado). Esta eficiencia se encuentra en la media de las eficiencias reportadas por diversos grupos de investigación a nivel mundial. Seguiremos trabajando en conjunto para poder seguir desarrollando y alcanzar las metas que se han puesto en conjunto el CONACYT y la SENER para mejorar los rendimientos de fotoconversión obtenidos hasta el momento, así como el de incrementar el tiempo de vida de los materiales y por ende el de las celdas solares; además de tener una tecnología adecuada para el almacenamiento de la energía eléctrica producida. Acciones tomadas rumbo a la Investigación y Desarrollo de la Energía Solar en México Tanto el CONACYT como la SENER, en colaboración con el Fondo de Sustentabilidad Energética (FSE) han creado un Fondo Sectorial para proyectos de Ciencia y Tecnología Aplicada en Temas de Frontera en 2014 (México-CONACYT), entre los cuales, los orientados al sector solar tenemos: i. Generación de nuevos materiales para celdas solares fotovoltaicas orgánicas. ii. Generación de nuevos materiales para baterías de flujo de alta eficiencia. iii. Celdas solares de perovskitas de haluros organometálicos. iv. Almacenamiento de energía solar térmica en baterías de flujo orgánicas. Figura 7 Caja de guantes para la elaboración de celdas solares, GPOM-CIO, León, México. Por otro lado, el FSE ha lanzado una convocatoria para 50 proyectos posdoctorales mexicanos en Sustentabilidad Energética, así como la convocatoria para el Fortalecimiento Institucional Regional

7 para la Sustentabilidad Energética, donde se convoca las instituciones de educación superior que quieran desarrollar proyectos de formación de recursos humanos especializados y fortalecer su infraestructura para investigación (México-SENER-Boletín 2014). El titular de la SENER, Lic. Pedro Joaquín Coldwell, dio a conocer a finales del 2013 la integración del Centro Mexicano de Innovación en Energía Solar (CeMIE-Sol). Éste es un centro virtual y en él participan 67 centros o institutos de investigación, así como 21 empresas nacionales e internacionales; la institución líder de este importante proyecto es el Instituto de Energías Renovables de la UNAM (IER-UNAM). El presupuesto inicial para este centro fue de alrededor de 453 millones de pesos. El proyecto se desarrollará en cuatro años y estará dividido en ocho etapas semestrales. El CeMIE- Sol buscará promover la vinculación y el contacto entre investigadores y empresarios para desarrollar 12 temáticas principales acerca del Sol y todas sus formas de explotación. Además, hay varios proyectos de Energía solar fotovoltaica de autoabastecimiento en el norte del país, que están programados a llevarse en 4 etapas que comprenden del año 2019 al 2025 (México- SENER-Prospectiva 2010). Durante el año 2012, la energía fotovoltaica aportó 1MW en lo que respecta a la capacidad de producción en el sector público. Esto corresponde aproximadamente al 0.1% del total de la capacidad instalada del servicio público (México-SENER-Prospectiva 2013). Metas para el 2026 en materia energética en México Para el 2026 se estima tener un incremento en la capacidad de generación, a partir de energías renovables y grandes hidroeléctricas en la modalidad de servicio público, de 8,160 MW en el escenario de planeación del cual tan solo 6 MW serán con solar fotovoltaico. En lo que corresponde a la modalidad de autoabastecimiento, se estima que para el 2026 se incorporen 10,228 MW con 7.36% (752 MW) correspondiente al solar fotovoltaico. Por su parte, la participación de la generación distribuida, con base en las proyecciones elaboradas por la Secretaría de Energía (SENER), tendrá una incorporación en capacidad de 2,156 MW en el escenario de planeación con 54.8% (1,170 MW) en solar fotovoltaica (México-SENER-Prospectiva 2012). Figura 8. Esquema de las interacciones buscadas por el CeMIE-Sol Las medidas tomadas por las diversas autoridades del Gobierno Mexicano fueron planeadas para cumplir la meta de largo plazo establecida en la Ley para el Aprovechamiento de las Energías

8 Renovables y el Financiamiento de la Transición Energética (LAERFTE) y en la Estrategia Nacional de Energía de incrementar la participación de energías limpias en la de generación eléctrica a 35% del total para el 2026, incluidas las fuentes renovables, hidroeléctricas, carboeléctricas y ciclos combinados que cuenten con captura y secuestro de CO 2 y energía nuclear Erreur! Signet non défini.. Cabe mencionar, que este 35% ya estaba estipulado con anterioridad para el año 2024 por la LAERFTE y la Reforma Energética del país (México-SENER-Reforma 2013). Este porcentaje va mucho más allá de las expectativas de la Unión Europea que para el 2020 se ha puesto la meta de generar un 20%, del total de su energía, a partir de fuentes renovables (Comission Européenne) Potencial de aprovechamiento México se localiza geográficamente entre los 14 y 33 de latitud septentrional, situación que resulta ideal para el aprovechamiento de la energía solar, ya que la irradiación global media diaria en el territorio nacional es de alrededor de 5.5 kwh/m 2, colocando al país dentro de los primeros lugares en el mundo. Figura 9. Irradiación solar global diaria promedio anual en el territorio nacional. Conclusiones Los orgánicos fotovoltaicos representan una tecnología reciente y prometedora que pretende convertirse en una fuente importante de energía en un futuro. Gracias a todas las aplicaciones y ventajas respecto a los sistemas inorgánicos, se cree que puedan ser una alternativa viable para aprovechar al máximo los espacios urbanos, así como tecnologías portátiles, sin descartar la gran escala gracias a las películas delgadas que se pueden generar a base de las diferentes técnicas de impresión. México tiene todo lo que se requiere para ser un líder en la rama de los Orgánicos Fotovoltaicos, se tiene la ciencia, la capacidad y la mano de obra. Simplemente no se puede seguir dependiendo de los

9 combustibles fósiles como principal fuente de energía. El territorio mexicano puede llegar a producir hasta 250kWh/m 2 por año, considerando paneles solares con una eficiencia de conversión del 14%. Se debe aprovechar nuestras condiciones geográficas al máximo. México debe seguir en esta carrera mundial por alcanzar mejores rendimientos de conversión, mayor estabilidad de los materiales desarrollados, para así lograr una mayor duración de vida de los paneles solares. Prospectiva del Sector Eléctrico : El futuro de la penetración de las tecnologías PV dependerá de la combinación de distintos factores como lo es el apoyo político. Sin un apoyo político adecuado, la tecnología PV tomará más tiempo para alcanzar niveles aceptables de competitividad con las fuentes convencionales de generación de energía eléctrica. Bibliografía "Best Research Cell Efficiencies." National Center for Photovoltaics. USA: NREL, Brédas, Jean-Luc. "Solar Technologies." Center for Materials and Devices for Information Technology Research (CMDITR )Photonics Wiki., 9 Aug "Commission Européenne Europe 2020." Europe 2020 Les Grands Objectifs De L'UE En Matière De Croissance économique, 2 Oct Hou, Jianhui, "Synthesis, Characterization, and Photovoltaic Properties of a Low Band Gap Polymer Based on Silole-Containing Polythiophenes and 2,1,3-Benzothiadiazole." Journal of the American Chemical Society (2008): Jørgensen, Mikkel. "Stability/degradation of Polymer Solar Cells." Solar Energy Materials and Solar Cells 92.7 (2008): Kaiser, Tiffany. "Environmental Impact and Energy Use of Organic Solar Cells Evaluated." DailyTech, 20 Sept Lundy, Brian J., "Enantioselective Conjugate Addition of Alkenylboronic Acids to Indole-Appended Enones." Organic Letters (2011):

10 Maldonado, José Luis. "Celdas Solares Orgánicas: Alternativa Energética." Blogs El Universal. El Universal, 2 Aug Maldonado Rivera, José Luis. "Centro Mexicano De Innovación En Energía Solar." Periódico AM., 27 May México. CONACYT-SENER-SUSTENTABILIDAD ENERGÉTICA. Proyectos De Ciencia Y Tecnología Aplicada En Temas De Frontera., México. Secretaría De Energía. Boletín Bimestral Del Fondo De Sustentabilidad Energética. SENER, Aug.-Sept México. Secretaría De Energía. Prospectiva de Energías Renovables SENER, México. Secretaría De Energía. Prospectiva del Sector Eléctrico SENER, México. Secretaría De Energía. Prospectiva del Sector Eléctrico SENER, México. Secretaría De Energía. Reforma Energética de México. SENER, Pérez Gutiérrez, Enrique, and José Luis Maldonado Rivera. "Fuente Alterna De Energía Renovable: Celdas Solares Orgánicas." Revista Entreciencias. Universidad Nacional Autónoma De México, 3 May Zhou, Huaxing. "Rational Design of High Performance Conjugated Polymers for Organic Solar Cells." Macromolecules 45.2 (2012):