La física Cristina L. Pinto Fuste (Olazagutía, Navarra, 1995) ha desarrollado unas estructuras nanométricas, inspiradas en las hojas de la flor de loto, para la superficie del vidrio empleado en los módulos fotovoltaicos. Esta innovación aumenta la eficiencia en la producción de electricidad y reduce los costes de mantenimiento.
En concreto, dicho vidrio se caracteriza por “no reflejar nada de luz, no ensuciarse y, si lo hace, limpiarse solo con gotas de agua y, además, enfriarse en los días más soleados, y todo esto, garantizando una vida útil, ya que poseen una resistencia mejorada a la abrasión”, según recoge en su tesis doctoral, defendida en la Universidad Pública de Navarra (UPNA) y desarrollada en el Centro Nacional de Energías Renovables (CENER) gracias a un doctorado industrial.
“Los diferentes tipos de tecnologías fotovoltaicas comparten un elemento común: el vidrio como cubierta frontal de los módulos —explica la autora de la tesis doctoral—. El vidrio protege los componentes internos del panel fotovoltaico al proporcionar una barrera protectora contra los fenómenos meteorológicos, garantizando la durabilidad y la vida útil del sistema. El vidrio actúa también de soporte al aportar rigidez y estabilidad estructural al módulo. Además, proporciona una alta transparencia, lo que permite que llegue la máxima cantidad de luz solar a las células solares y se maximice así la producción eléctrica”.
Sin embargo, el vidrio también presenta una serie de desafíos que afectan a la eficiencia y el rendimiento de los módulos fotovoltaicos: la reflexión de la luz no aprovechada, que la industria trata de corregir añadiendo capas antirreflectantes; la acumulación de suciedad en su superficie, que puede “bloquear la entrada de luz a las células solares y requerir costosos y frecuentes procesos de limpieza para mantener la producción óptima de energía”, y la resistencia a la abrasión y al calor.
“Durante los tres años que ha durado la tesis, he diseñado, simulado, fabricado y testeado diferentes tipos de estructuras hasta llegar a las óptimas: aquellas jerárquicas compuestas por microcilindros y cubiertas por nanoconos aleatorios, un modelo muy parecido al de las hojas de loto —describe Cristina L. Pinto—. De este modo, se consigue minimizar la reflexión, disminuir la adherencia del polvo y la temperatura de operación, y mejorar su capacidad de autolimpieza. Además, al no añadir ningún recubrimiento externo, la resistencia a la abrasión supera a las soluciones comerciales”.
La luz reflejada en los módulos fotovoltaicos es aquella que no llega a las células de estos paneles y que, por lo tanto, no se convierte en electricidad. “Esta reflexión se produce debido a un cambio brusco en el índice de refracción, una propiedad de los materiales, al pasar de 1 (aire) a 1.5 (vidrio). Los nanoconos fabricados en el vidrio eliminan este repentino cambio, pues generan una transición gradual del índice de refracción desde el aire hasta el vidrio y minimizan así la luz reflejada”, indica Cristina L. Pinto, cuya tesis ha sido dirigida por Jaione Bengoechea Apezteguía, jefa del Servicio de Innovación y Desarrollo Tecnológico Foto-Eléctrico y Fotovoltaico de CENER, y tutorizada por Joaquín Sevilla Moróder, catedrático de la UPNA e investigador del Instituto de Smart Cities (ISC).
Otra ventaja relevante que aportan las estructuras de vidrio diseñadas por la nueva doctora es la propiedad de antisuciedad. “Estas nanoestructuras aumentan la distancia entre la base de la superficie del vidrio y la de polvo y disminuyen drásticamente las fuerzas que gobiernan la adherencia —señala—. De este modo, mediante tres diferentes métodos de medición, se ha obtenido una disminución del ritmo de ensuciamiento de los módulos fotovoltaicos de aproximadamente un 50%, lo que mantiene los módulos más limpios durante un mayor periodo de tiempo”.
Aún así, las nanoestructuras no pueden evitar del todo ensuciarse. “No obstante, otra de las ventajas descubierta es la capacidad de autolimpieza. Cuando una gota de agua cae en el vidrio, esta se esparce recogiendo toda la suciedad que pueda haber en el módulo y, a nada que esté inclinado, la gota resbala y se lleva consigo toda la suciedad, limpiando así el módulo”, apunta la investigadora.
Respecto a la resistencia a la abrasión, las estructuras nanométricas directamente grabadas en el vidrio “aseguran una durabilidad excepcional y evitan problemas de desprendimiento comunes en las soluciones comerciales”. “Las pruebas de abrasión muestran que estas estructuras superan significativamente a los recubrimientos convencionales, con solo un ligero deterioro del 1% después de 500 ciclos de abrasión con arena, en comparación con entre un 2,5% y un 3% en otros recubrimientos comerciales”, asegura.
Además, el efecto invernadero que produce el vidrio, ya que este refleja parte de la luz infrarroja, el calor, se ha logrado eliminar con los microcilindros. “De esta manera, todo el calor que generan las células solares es absorbido por el vidrio y este, a su vez, lo emite en todas las direcciones, refrigerándose y, por ende, enfriando las células. En este proyecto, se ha conseguido disminuir la temperatura hasta en 2,5 ºC en días soleados, lo que aumenta la producción eléctrica del módulo”, concluye.
Cristina L. Pinto cursó en la Universidad de Zaragoza, sucesivamente, el Grado en Física y el Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética. Posteriormente, se matriculó en la UPNA en un doctorado industrial que, a lo largo de tres años, le ha permitido formarse como investigadora en la institución académica y en CENER. Durante su tesis, completó una estancia de investigación en la estadounidense Universidad de California, Los Ángeles (UCLA), bajo la supervisión del investigador Aaswath Raman. Es también coautora de siete artículos de investigación publicados en revistas científicas.
En la actualidad, Cristina L. Pinto trabaja como investigadora en el Laboratorio de Materiales y Recubrimientos para la Energía del Departamento de Tecnologías y Almacenamiento de la Energía Solar en CENER.
