Energía solar: nuevas tecnologías para un país más sustentable
Por Michael Morales-Luna y Gesuri Morales-Luna
Artículo de divulgación
Una de las preguntas más recurrentes cuando uno está impartiendo clases o seminarios, es ¿por qué en México no se está invirtiendo en tecnología para generar energía, aprovechando la radiación solar? Y aunque esto no es fácil de responder, debido a que intervienen diversos factores políticos, sociales y académicos, la respuesta es ¡sí!, claro que se está apoyando y apostando por este tipo de tecnologías; sin embargo, no es suficiente.
Desde el área académica, se puede mencionar que hay muchos esfuerzos para que este tipo de tecnología pueda ser considerada como una alternativa viable para México.
Pero, ¿por qué en México es importante enfocarse en este recurso renovable? La respuesta es sencilla: en el 2018, World Resources Institute [1] publicó una lista de los 20 países con mayor potencial de energía solar, y México se colocó en la posición 10. Este dato es importante mencionarlo ya que no existe ningún país europeo dentro de las primeras 10 posiciones, y sin embargo, países como España, Alemania, Francia e inclusive Inglaterra están apostando fuertemente a este tipo de recurso.
México es uno de los 10 países con mayor potencial de energía solar en el mundo
Por poner un ejemplo, en el 2021, Inglaterra reportó 12.47 TW-hora (teravatios por hora), Alemania generó 51.09 TW-hora, mientras México reportó 10.35 TW-hora [2]. Por lo tanto, si pensamos en estos países donde el potencial de energía solar no es lo bastante alto comparado con el de México y, aun así, están generando energía por arriba de la que reporta México, sería bastante razonable pensar que, en el futuro, nuestro país reporte valores energéticos mayores que estos países. Sin embargo, esta predicción dependerá fuertemente de los avances en investigación que se den en esta área, particularmente en México y sobre todo de la divulgación científica por parte de la academia.
Nuevas aportaciones teóricas
En nuestro grupo de investigación se han realizado aportaciones en esta área del conocimiento, principalmente desde el punto de vista teórico, utilizando la teoría del medio efectivo (TME) para describir y simular espectros de absorción de los materiales utilizados como capas absorbedoras de la radiación. Uno de los materiales que más hemos estudiado es el trióxido de molibdeno (MoO3) dopado con nanopartículas de plata (Ag), oro (Au) o cobre (Cu), y cuya representación esquemática del arreglo que tiene se puede ver en la Figura 1.
Figura 1. Representación esquemática del arreglo MoO3 dopado con nanopartículas aleatoriamente distribuidas en la matriz, soportadas en un sustrato de vidrio.
Hasta ahora, la teoría del medio efectivo solamente había sido aplicada a medios coloidales, pero un punto importante de nuestros estudios es la extrapolación de esta teoría hacia películas delgadas, de aquí la novedad de esta investigación. Para la descripción de los espectros de absorción mediante la TME es necesario describir los llamados coeficientes de Fresnel, los cuales están definidos por:
para polarización transversal magnética (TM), comúnmente usada en películas delgadas, donde están presentes fenómenos de resonancia. De igual manera, se define el coeficiente de transmisión para polarización TM, como:
Como se observa, ambas ecuaciones dependen del índice de refracción del medio donde están inmersas las partículas y el índice de refracción de las nanopartículas. Para fines prácticos, consideraremos incidencia normal, es decir, el ángulo de incidencia (ver Figura 1) es cero respecto a la línea punteada de la figura. Las ecuaciones (1) y (2) son válidas únicamente para una interfaz, en este caso aire-película, pero es necesario incluir el sustrato, dando así una configuración adicional para obtener la reflectancia y transmitancia óptica. Siendo las expresiones:
y para la transmitancia:
Para calcular la absorción usamos:
siendo, el espesor de la película, la reflectancia y la transmitancia [3].
Figura 2. Espectro de irradiación solar asociada al eje izquierdo de la figura, los espectros de absorción como función de la longitud de onda con un radio de 20 nm de las nanopartículas de Ag, a los diferentes espesores de la película del MoO3, 110, 120, 160 y 180 nm, como se indica en la figura.
Conclusión
Como se puede observar, bajo estas condiciones surge una banda de absorción en la región del visible, siendo 650 nanómetros aproximadamente el pico de absorción más alto. Los espesores mostrados en la Figura 2 muestran que parte de la región visible es absorbida, lo cual, como ya mencionamos, es uno de los objetivos principales de estas películas.
Lo que se busca con esta investigación es utilizar estas películas optimizadas para poder obtener mejores y mayores amplitudes de absorción en el espectro visible, logrando con este tipo de configuraciones tener una película más eficiente.
Sabemos que estos resultados son importantes, y que inician una línea de interés para la comunidad de materiales y de celdas solares. Esto marca la pauta para realizar experimentos de síntesis de películas delgadas y buscar la manera de industrializarlas, buscando que nuestro país y el mundo se vea beneficiado con el desarrollo de esta tecnología que se inició desde un enfoque teórico.
Referencias
- [1] https://www.wri.org/insights, Marzo 2022
- [2] https://ourworldindata.org, Marzo 2022
- [3] Morales-Luna, G.; Morales-Luna, M. Extinction Coefficient Modulation of MoO3 Films Doped with Plasmonic Nanoparticles: From an Effective Medium Theory Description. Nanomaterials 2021, 11, 2050. https://doi.org/10.3390/nano11082050
Los autores
Michael Morales-Luna. Es profesor de planta en el Tecnológico de Monterrey. Doctor en Nanociencias y Nanotecnología del Cinvestav. Maestro en Ciencias con especialidad en Física por el Cinvestav. Ingeniero Físico por la Universidad Autónoma Metropolitana. Desde el 2018, forma parte del Sistema Nacional de Investigadores, Nivel 1. Ha publicado más de 20 artículos en revistas internacionales de alto impacto y ha expuesto sus trabajos en más de 10 congresos nacionales e internacionales. Galardonado en el 2021, como autor Top 100 de los artículos más descargados, de la revista Scientific Reports en el área de materiales.
michael.morales@tec.mx
Gesuri Morales-Luna. Es profesor de tiempo completo de la Universidad Iberoamericana. Doctor en Ingeniería Eléctrica por el Instituto de Ciencias Aplicadas y Tecnología de la UNAM. Maestro en Ciencias (Físicas) por el Instituto de Física de la UNAM. Ingeniero Físico por la Universidad Autónoma Metropolitana. Desde el 2020, forma parte del Sistema Nacional de Investigadores, Nivel 1. Ha publicado más de 10 artículos en revistas internacionales de alto impacto y ha expuesto sus trabajos en más de 10 congresos nacionales e internacionales. Galardonado en el 2021, como autor Top 100 de los artículos más descargados, de la revista Scientific Reports en el área de materiales.
gesuri.morales@ibero.mx