Baterías solares: un nuevo material permite simultáneamente absorber luz y almacenar energía

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

En este proceso entre la captación de la luz por parte de la 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 problemáticas 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 y 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 del Departamento de Física de la Universidad de Córdoba Alberto Jiménez-Solano que, junto a un equipo del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido (Stuttgart, Alemania) ha realizado un estudio en el que explora las características de diseño de una batería solar diseñada 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 foto-electroquímicos dan una visión de las características de este dispositivo con buen rendimiento a la hora de capturar la luz solar y almacenar la energía.

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 los ambos lados, ya que es semi-transparente. 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 sólo 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.

Referencia:

Gouder, Andreas & Yao, Liang& Wang, Yang &Podjaski, Filip&Rabinovich, Ksenia & Jiménez-Solano, Alberto &Lotsch, Bettina. (2023). Bridging the Gap between Solar Cells and Batteries: Optical Design of Bifunctional Solar Batteries Based on 2D Carbon Nitrides. Advanced Energy Materials. 13. 10.1002/aenm.202300245