Cada año, casi 5×1024 J de energía es proporcionada por el sol y llega a la superficie de la tierra. Esta cantidad es 10000 veces mayor que el consumo anual real de energía de todo el mundo.
por Orietta León.
Entre varios recursos energéticos sostenibles, la energía solar ha evolucionado recientemente como la fuente más importante buscada de energía renovable debido a la abundancia de luz solar durante todo el año y también a los avances tecnológicos en la captación de la energía lumínica.
A lo largo de los años, las celdas solares fotovoltaicas han logrado ser la principal fuente de aprovechamiento de energía solar, ya que no solo son renovables sino también seguras y libres de contaminación. Los arreglos fotovoltaicos por sí solos proporcionan un método relativamente económico para producir electricidad con alta eficiencia. Sin embargo, factores como la alta inversión de capital y la sensibilidad de la superficie del vidrio dificultan la eficiencia de los paneles solares.
Aún así, la eficiencia de conversión de los módulos fotovoltaicos comerciales es tan baja como 20%, que se atribuye a la pérdida de reflexión en la interfaz aire/módulo y acumulación de polvo sobre los módulos. Como resultado, la mejora de los módulos/paneles solares ha ganado una atención significativa. Esta mejora se debe principalmente al desarrollo de recubrimientos funcionales para paneles solares. Los materiales de energía solar son elegidos de tal manera que los recubrimientos poseen características clave, como la eficiencia de absorción, la conductividad eléctrica, la transparencia, la humectabilidad (es decir, hidrofobicidad/hidrofilicidad) entre otros, con el fin de maximizar el rendimiento de los paneles solares. En general, los materiales del módulo solar deben ser de alta transparencia con excelente capacidad autolimpiante.
Ahora bien, la acumulación de polvo es una de las principales causas asociadas con salidas de energía más bajas ya que la salida de potencia tiene una fuerte correlación con la radiación solar incidente, y las capas de polvo así como los desechos se comportan como una barrera para los rayos entrantes. Una capa de deposición de polvo de 4 g/m2 puede disminuir la eficiencia solar en un 40%. Un estudio realizado encontró que a pesar de las fuertes lluvias, la transmisión de los paneles energía solar se redujeron a 87.6% de 90.7%. El efecto de la deposición de polvo en diferentes tipos de paneles fotovoltaicos fue investigado y se encontró que a medida que aumenta la densidad de deposición de polvo de 0 a 22 g/m2, la reducción de la potencia de salida aumenta de 0% a 26%. Sin embargo, es importante tener en cuenta que el polvo difiere en diferentes partes del mundo y factores tales como, orientación del panel, dirección del viento, y composición del polvo tiene un efecto colectivo en la capa de suciedad que se acumula en los paneles solares.
Una disminución notable en la eficiencia de los módulos fotovoltaicos (por ejemplo, propiedades ópticas) dentro de 1-6 meses de instalación debido a la cobertura de polvo se ha reportado en varios experimentos realizados al aire libre en Arabia Saudita, India, Egipto, Libia, Polonia y México. En regiones desérticas y semiáridas donde se alcanza la máxima intensidad de radiación solar, es evidente, que la mayor parte se está perdiendo debido a la deposición de polvo en los módulos solares. Al mismo tiempo, los costos de limpieza en estas regiones son muy altos, lo que lleva a una mayor operación y mantenimiento. Estos costes pueden reducirse mediante el recubrimiento de paneles solares con materiales que repelen el polvo o faciliten su limpieza con agua rociada. Por lo tanto, un material del panel solar con una excelente propiedad autolimpiante es un codiciado material en la industria de la energía solar.
Los recubrimientos autolimpiables facilitan la eliminación del polvo de los paneles solares que a su vez aumenta su eficiencia de conversión de energía. Normalmente, la autolimpieza de los paneles solares se logra mediante el uso de energía natural, métodos mecánicos o electrostáticos y recubrimientos de nano-películas.
Los recubrimientos de paneles solares para aumentar su propiedad autolimpiante involucran dos tipos de películas, películas superhidrofílicas y superhidrofóbicas. La superhidrofobicidad se fundamenta en el efecto de Lotus y la hidrofilicidad fotocatalítica se basa principalmente en TiO2. De hecho, ambas características superficiales facilitan la propiedad autolimpiante del sustrato subyacente. Las superficies superhidrofóbicas presentan ángulo de contacto con el agua de más de ~150º formando gotas de agua esféricas que rueden sobre la superficie y se llevan el polvo y la suciedad, mientras que las superficies superhidrofílicas tienen un ángulo de contacto con el agua más bajo (~5º) que facilitan la distribución completa del agua sobre ellos llevándose las partículas de polvo a medida que fluye.
Hay numerosos materiales para la fabricación de recubrimientos superhidrofóbicos tales como fluorocarburos, siliconas, nanotubos de carbono, materiales poliméricos como el poliestireno, copolímeros de poliuretano urea, polimetacrilato de metilo, policarbonato y poli(cloruro de vinilo). Las superficies superhidrofóbicas también se pueden obtener a través de materiales orgánicos e inorgánicos.
Las superficies superhidrofóbicas artificiales están inspiradas en la hoja de loto y se preparan con una combinación de estructuras a micro y/o nanoescala utilizando materiales hidrófobos de baja energía superficial. Esto se logrará mediante el empleo de dos estrategias, ya sea la creación jerárquica estructuras (micro y/o nanoestructuras) sobre sustratos hidrófobos, o modificando químicamente la superficie estructurada jerárquica con materiales de baja energía superficial. Para una superficie superhidrofóbica, la fase seca debe tener menor energía superficial que la superficie húmeda. Por otra parte, para hacer frente a la energía superficial reducida, la forma de la gota del líquido se vuelve más esférica. El efecto de la energía superficial se puede ajustar por la rugosidad de la superficie. Típicamente, gotitas líquidas forman altos ángulos de contacto con el agua en superficies ásperas de baja energía, y bajo ángulos de contacto se logran en superficies rugosas de alta energía.
Diferentes métodos se emplean para la preparación de recubrimientos para aplicaciones de paneles solares fundamentos en superficies superhidrófobas autolimpiables, entre los métodos basados en solventes se pueden mencionar la deposición electroquímica, método capa por capa, método sol-gel, grabado químico y grabado con plasma.
También se pueden fabricar estructuras jerárquicas superhidrófobas, a través de técnicas que utilizan un entorno de fase gaseosa. Estos métodos permiten obtener superficies rugosas precisas y controladas que pueden ser asistidas a través de electrodos, entre ellos se incluyen el grabado con plasma y la deposición química de vapor.
El desarrollo de superficies autolimpiantes superhidrofóbicas usando la tecnología de recubrimiento en polvo seco ha sido ampliamente empleada imitando la estructura de la hoja de loto. Este enfoque lleva a cabo el proceso de recubrimiento sin la ayuda de agua o solventes.
A pesar de tener baja dureza en comparación con los materiales inorgánicos, los polímeros han sido ampliamente utilizados en recubrimientos autolimpiantes debido a sus propiedades superficiales, versatilidad y facilidad de formación, además de la alta tenacidad especialmente cuando se combina con materiales inorgánicos. Como resultado, el recubrimiento polimérico es un método bien conocido que establece los procedimientos para producir nuevas propiedades de superficie mediante polimerización. Como ejemplo, las películas formadas por la polimerización por injerto de plasma pueden mostrar un espesor controlable, uniformidad de composición y membrana densa. Por lo tanto, la técnica de polimerización por injerto inducida por plasma se ha utilizado para preparar una variedad de películas, tales como películas de metales, películas amorfas inorgánicas y películas orgánicas.
Por otra parte, la rugosidad de la superficie y la porosidad juegan un papel importante en la creación de recubrimientos superhidrofílicos. Se cree que algunas microestructuras y estructuras porosas a nanoescala exhiben superhidrofilicidad y su humectabilidad puede ajustarse cambiando la porosidad y/o la rugosidad. La mayoría de los recubrimientos superhidrofílicos están hechos de nanopartículas TiO2. Las superficies superhidrófilas no suelen ser fáciles de preparar, y los métodos de fabricación son típicamente específicos del sustrato.
Los métodos y materiales de recubrimientos de superficies tienden a evolucionar continuamente a medida que surge la necesidad de materiales mejor funcionalizados. Para aplicaciones de paneles solares, capacidad autolimpiante, fotoactividad y alta transparencia son algunos de los atributos más buscados, sin embargo, características como la autocuración y los antimicrobianos han ganado interés recientemente. Por lo tanto, para generar películas que formen parte de múltiples funciones, se han desarrollado recubrimientos "inteligentes" que permiten que las moléculas se armen de acuerdo a su entorno.
La función de los recubrimientos autolimpiantes puede ser propensa al deterioro debido a la adsorción de humedad o contaminantes, y podría recuperarse por exposición a la luz solar. También pueden estar dañados o incluso rasguños por las partículas de arena en el viento debido a que son abrasivos. También la descomposición bajo la luz del sol es otro posible daño en un ambiente al aire libre. Estas situaciones tienden a llevar al declive en la transmistancia y afecta la humectabilidad. En general, los recubrimientos tienen que ser redepositados y recuperados continuamente, lo que es costoso e inconveniente de lograr. Así, fabricando recubrimientos con capacidad de autocuración se cree que proporcionan una manera eficiente y económica de mantener propiedades ópticas y otras propiedades físicas/químicas de los recubrimientos para aplicaciones prácticas.
En los últimos años, los recubrimientos antimicrobianos han llamado la atención para prevenir la acumulación de bacterias, especialmente en superficies de vidrio tales como paneles fotovoltaicos donde la extensión de colonias de crecimiento bacteriano podría disminuir enormemente su transmisión y eficiencia. Además, esta situación se puede agravar aún más por la contaminación con polvo, arena, hollín y polen. Hay varios materiales usados para el desarrollo de tales recubrimientos, incluidos de plata, cobre y los óxidos metálicos de efectos fotocatalíticos. Estas sustancias combinadas con la superhidrofobicidad y la transparencia hacen que los recubrimientos sean multifuncionales e inteligentes para ser extendidas a aplicaciones prácticas.
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