Un color especial

Almudena Mata

Rusia, 1839. Gustav Rose se encuentra de expedición en los Montes Urales. Se siente dichoso, ha sido elegido para participar en la expedición del zar. Han pasado tres años desde que nació su hijo Edmund y trece desde que se convirtió en profesor de mineralogía en Berlín, su ciudad natal. Probablemente, el geólogo eche de menos su patria, pero eso es solo un mal menor en su aventura por ampliar su conocimiento sobre los minerales. Casi llegan a China. ¿Qué tendrán esas estructuras cristalinas? Esos malditos cristales.

Gustav siempre quiso seguir los pasos de su padre y de su abuelo. Luchando contra Napoleón en 1815, se dio cuenta de que prefería el laboratorio al campo de batalla.

Pero ahora no está en un laboratorio de Estocolmo o de Berlín. Está en Rusia, en la Rusia ortodoxa de Nicolás I. La represión ha aumentado en el país desde el intento de revolución de los decembristas en 1825. Las revueltas campesinas siempre acaban con sangre. El gobierno ejerce la censura y controla a la población mediante una red de espías. Europa todavía se recupera de las revoluciones de 1830.

¿Qué es eso? Ha descubierto algo.

Piensa en Lev Aleksevich von Perovski. El noble ruso, ministro de Asuntos Internos y, como él, geólogo.

Sevilla, 2016. El madrileño Miguel Anaya no se enfrenta a las tropas napoleónicas, ya tiene suficiente con dedicarse a la ciencia en la capital andaluza. Hace calor. El Lorenzo pega fuerte en el sur, la gran cantidad de luz incomoda a los ojos sensibles desde el inicio de la mañana.

Volvamos atrás.

Rusia, 1839. Gustav Rose descubre un nuevo mineral en su expedición por los Montes Urales. Piensa en Lev Aleksevich von Perovski. Le da el nombre de «perovskita». Su particular estructura ortorrómbica no había sido conocida hasta ese momento.

Pero la perovskita va mucho más allá del mineral al que Rose bautizó. Su estructura se repite en otros materiales que, por extensión, han adoptado su nombre. La estructura perovskita consta de una celda unidad que se repite infinitamente en forma de octaedros. Los átomos situados en cada vértice del octaedro se diferencian del central, a su vez, distinto al presente en el espacio libre que queda entre cada cuatro octaedros.

Japón, 2009. En la tierra de los samuráis, un grupo de investigadores descubre que la estructura perovskita absorbe la luz solar de manera extraordinaria. La perovskita no solo atrapa los fotones, sino que es capaz de crear electrones y huecos, es decir, cargas.

Oxford, 2012. La ciudad universitaria por excelencia en Inglaterra da a conocer un nuevo avance. Además de producir cargas, la perovskita es capaz de conducirlas. Acaba de aparecer una estructura que absorbe la luz, la transforma en cargas y las conduce, lo que la convierte en un ingrediente perfecto para el uso en celdas solares. El silicio tiene ahora otro material con el que compartir propiedades. Pero el silicio es caprichoso y se precisa muy puro, cristalino. La repetición de su estructura atómica debe ser impecable en todo el material. El silicio quiere ser muy fino, perfecto. Casi parece elitista. Y, sin embargo, se encuentra en multitud de artilugios a nuestro alrededor. Celdas solares, móviles, ordenadores…la tecnología actual se basa en el silicio. Sus requerimientos de perfección hacen que la producción sea compleja, pero su inconmensurable necesidad ha conseguido abaratar la fabricación debido a los procesos industriales masivos.

Aquí es donde entra la perovskita. Su elaboración se lleva a cabo en los laboratorios de forma totalmente artificial. Una mezcla orgánica-inorgánica metálica. CH3 NH3 Pb I3. Tan solo eso. Metilamonio, plomo y yodo. Carbono y elementos inorgánicos, plomo en el centro de los octaedros y haluros en los vértices -yodo en este caso, pero también bromo y cloro-. Tan solo una disolución. Una mezcla pipeteada en un sustrato, que se hace girar en el spin coater a una velocidad de entre dos y cinco mil vueltas por minuto. Una capa, de grosor controlado, es creada. Su temperatura, ascendida a los 100ºC. Bienvenido al mundo, acaba de nacer un material de estructura perovskita. El nuevo niño probeta es fácil de crear en el laboratorio. Los elementos que lo componen son asequibles y accesibles. Aunque no todo puede ser tan ideal, pues ningún parto llega sin algo de dolor. Y es que nuestro bebé es un poco tóxico.

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Estructura perovskita CH3 NH3 Pb I3 / Miguel Anaya

 Pero volvamos a lo que nos interesa, el relevo generacional por el que la perovskita lucha frente al dominio del silicio en el uso para celdas solares. Presten atención, vienen pisando fuerte. Con solo 500 nanómetros de material es posible crear celdas solares tan eficientes como las de silicio. En 2012, la eficiencia de las celdas de perovskita era del 9 %, hoy, el récord se encuentra en el 22,1 %. Increíble, ¿verdad?

Las prisas en la carrera por alcanzar al silicio tienen una explicación. El imparable avance de las investigaciones sobre perovskita se debe al excepcional interés que el material ha causado en el mundo de la ciencia. La competitividad es tal, que todo centro científico que se precie ha dedicado un equipo para su investigación. Lo que comenzó en Japón, pronto se trasladó a Europa. Hoy, la lucha está protagonizada por la Universidad de Oxford -en concreto, la facción liderada por Henry Snaith- y L’ École Polytechnique de Lausana (Suiza) -con Michael Grätzel a la cabeza-. La rivalidad entre ambos grupos se traduce en algo así como la de un Betis-Sevilla para el común de los mortales. O la de un Barça-Madrid, para aquellos de fuera de Andalucía.

A medio camino de la contienda se halla el grupo de óptica del que forma parte Miguel Anaya, a quien antes dejamos en Sevilla. Pertenece a un equipo de investigación potente y joven, en el que la mayoría de miembros son menores de 35 años. Es el Grupo de Materiales Ópticos Multifuncionales del Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla o Multifunctional Optical Materials Group en inglés, que se lleva más.

¿A qué se dedican? Entre otras cosas, a crear cristales fotónicos.

Los cristales fotónicos resultan de apilar, a escala nanométrica, dos materiales de forma periódica. En su caso, colocan una capa de dióxido de titanio de, por ejemplo, 40 nanómetros, seguida por otra de dióxido de silicio de 70 nanómetros hasta formar una estructura fotónica de siete capas. Estos materiales que se superponen a modo de estratos son transparentes en el visible, pues absorben la luz en el rango ultravioleta. La disposición de los materiales de esta manera provoca una variación periódica del índice de refracción en el espacio, originando fenómenos de interferencia entre los haces de luz. Tales efectos ocasionan los conocidos como picos de Bragg. La luz reflejada a una longitud de onda muy concreta depende del grosor de las capas. Es decir, se logra dar color a lo que antes era transparente. Una combinación de 40-80 nanómetros refleja el rojo, una de 40- 40, el azul. Se trata de la creación de color estructural. El ojo humano percibe la tonalidad que es reflejada, a diferencia del color habitual, que se debe a la absorción de luz.

Estos cristales fotónicos de colores se componen de capas porosas que pueden ser controladas en función de su aplicación. Esta particularidad les otorga la capacidad de ser rellenados por otro material. Por lo tanto, pueden utilizarse como andamio en el que verter la perovskita sintetizada en el laboratorio. Solo queda hacerlo girar y elevar su temperatura a los 100 ºC para crear el material final, esta vez, del color elegido previamente. Celdas solares de colores. Ahora todo parece más brillante. La luz que llega a la celda es reflejada en una longitud de onda concreta que le da color mientras, el resto, es absorbida por la perovskita, que crea electrones y conduce las cargas.

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Celdas de perovskita con cristales fotónicos / Miguel Anaya – Muy Interesante

¿El problema? Eléctrico. La incorporación de los cristales fotónicos reduce hasta el 9% la eficiencia de las celdas al crear oposición al paso de las cargas. Además, la longitud de onda reflejada es luz que la celda no absorbe.

Nada que no pueda mejorarse. Actualmente se investiga lo que supondría utilizar otros materiales para crear los cristales fotónicos. La eficiencia sería distinta, el índice de refracción sería otro y cambiarían las propiedades eléctricas de la celda. En las de ahora hay que tener en cuenta, por ejemplo, la influencia de un material conductor como el dióxido de titanio en el funcionamiento de la perovskita.

Regresemos a nuestras celdas de perovskita de colores. Su función es, principalmente, estética. Frente a las comunes celdas negras de silicio, los cristales fotónicos aportan a las celdas de perovskita brillantes colores, facilitando su integración en el paisaje urbano. El color hace a las celdas susceptibles de ser incorporadas en edificaciones. Por su forma cuadrada y pequeño tamaño podemos imaginar una ciudad llena de pisos cuyas fachadas estén recubiertas, a modo de azulejos, por celdas de llamativos colores. Como los de una mariposa. Aún se puede ir más lejos. La creación de celdas semitransparentes permitiría, incluso, colocarlas en ventanas. ¿Existen ya las vidrieras solares?

No solo eso. La inclusión de este tipo de celdas solares en los edificios permitiría ahorrar dinero tanto por su bajo coste de producción como por contar previamente con el terreno y el soporte donde deben ser colocadas. Además, su uso supondría crear energía en el mismo lugar de consumo, por lo que no sería necesaria la presencia de una central eléctrica ni el cableado que requiere. Y su mantenimiento sería el mismo que el de un cristal de ventana. Precisan una simple limpieza para que el vidrio transparente que las recubre permita que toda la luz llegue a la celda. Sin embargo, el ideal se para ahí, de momento. Hoy en día, las celdas son inestables, ya que se degradan rápidamente debido a la oxidación y la acción del agua, que desintegra el material. Por ello, sería necesario encapsularlas y conseguir mayor resistencia a largo plazo.

Aunque, lo peor, sin duda, es el recelo que causa el componente de plomo de la perovskita. El inconveniente no aparece con la exposición prolongada a las celdas, sino en su proceso de reciclaje o en el caso de la disolución del material por el contacto con el agua. A pesar de ello, los investigadores aseguran que los niveles de toxicidad son tan ínfimos, que no podrían causar daños a la salud.

Y, al mismo tiempo que unos trabajan por conseguir mejoras, otros laboratorios se encaminan a intentar aumentar la eficiencia de las celdas de silicio. La tendencia es crear celdas tándem al unir las de perovskita -con o sin cristal fotónico- con las tradicionales de silicio, de forma que sus rangos de trabajo en el espectro eléctrico se complementan mutuamente.

Pero aún hay más. Todo material que absorbe la luz, crea cargas y produce electricidad, es capaz de hacer lo contrario: utilizar la energía eléctrica que le es aplicada para producir fotones y dar luz. Es el funcionamiento de los dispositivos LEDs. Así que estas perovskitas tienen otra interesante aplicación. Los cristales fotónicos podrían mejorar este tipo de aparatos. Aunque, en este caso, su uso no sería para dar color, sino para aumentar la eficiencia con la que emite el suyo propio. Se produciría un efecto de localización del campo eléctrico que permitiría generar la misma intensidad de luz con menos energía.

Por ello, no es de extrañar el atractivo que, tanto la perovskita por sí misma como su unión con los cristales fotónicos, está causando en los laboratorios. Quizá, sea este uno de los principales avances en el desarrollo de la tecnología aplicada a las energía renovables. Quizá, dentro de 50 años, lo habitual sea apreciar los colores que las fachadas de los edificios visten para captar la luz.

Sevilla, 2066. A veces, mi abuela me cuenta que, cuando ella era pequeña, se hizo popular el dicho “Sevilla tiene un color especial” por culpa de una canción. Hoy, Sevilla tiene un color especial y no solo por lo que cantaran Los del Río. Hace tiempo que la ciudad rebosa color en cada uno de sus edificios. Los hay rojos, azules, verdes, amarillos y naranjas, algunos, incluso, combinados en un remolino multicolor que podría pasar horas mirando. Es el efecto de las celdas solares con cristales fotónicos que se han instalado en los últimos años. Y es que ahora todos disfrutamos, cada vez más, de los rayos de luz que iluminan el sur.