"El trabajo rompedor de Michael Grätzel incluye la invención de un tipo de célula solar sensibilizada por colorante, que lleva su nombre”, señala el acta del jurado, y “Paul Alivisatos ha logrado aportaciones pioneras utilizando nanocristales semiconductores para aplicaciones en energía y visualización en pantallas”.
Las células solares que imitan la fotosístesis
La fotosíntesis, el proceso por el que las hojas de las plantas convierten luz solar en materia orgánica –que no es sino una manera de almacenar energía–, es el proceso natural que sirvió a Grätzel de inspiración, y le llevó, hace ya 30 años, a combinar sistemas moleculares y nanopartículas para fabricar un nuevo tipo de células solares que imitan este proceso, acercando el objetivo de convertir la luz del sol en una fuente de electricidad limpia, eficiente y barata a gran escala.
Para sacar el máximo provecho de la luz visible, las plantas emplean clorofila y otros pigmentos; la estructura de la molécula de clorofila es tal, que al ser iluminada por los fotones del sol emite electrones, y se desencadenan así las reacciones químicas para construir, con agua y dióxido de carbono, materia orgánica. Las células solares de Grätzel también emplean un pigmento que hace la función de la clorofila, es decir, absorbe la luz del sol y genera electrones. Estos electrones son recolectados y transportados por un material semiconductor, por ejemplo el dióxido de titanio.
La gran aportación de Grätzel fue disponer el dióxido de titanio en nanopartículas, en lugar de en placas, como las células de silicio convencionales. Cada nanopartícula de dióxido de titanio se recubre del pigmento, y el resultado es un fluido que contiene las nanopartículas con el que se fabrican las células solares.
“Esta era la primera vez que se usaban nanopartículas para construir células fotovoltaicas, nadie lo había pensado antes”, explicaba Grätzel por videoconferencia tras conocer el fallo del jurado. “La primera vez que lo probamos fue emocionante, nos sorprendió a nosotros mismos porque obtuvimos una respuesta [de conversión de luz en energía] miles de veces superior a la que esperábamos”.
Grätzel y su equipo dieron a conocer la nueva célula solar fotovoltaica en 1991 en una publicación en Nature –‘A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films’–, que ha sido citada decenas de miles de veces y que ha dado origen a las llamadas DSSC, siglas en ingles de células solares sensibilizadas por colorante, también conocidas simplemente por el nombre de su inventor: células de Grätzel.
Este desarrollo ha dado lugar a un sinfín de patentes y ha abierto todo un nuevo campo de investigación. Las ventajas de estas células, según su inventor, son múltiples: materias primas abundantes, un proceso de fabricación barato, transparencia –lo que permite ponerlas en ventanales–, flexibilidad y capacidad de obtener electricidad también de la luz ambiental, como la que hay en una habitación. Un ejemplo de ello lo tenemos en el centro de congresos del campus del EPFL, que en 2013 creó con ellas uno de sus ventanales, de gran colorido.
La eficiencia de estas células es aproximadamente un 15%, menor que la de las células convencionales de silicio. Pero este inconveniente podría superarse pronto con otro tipo de células que emergieron de las de Grätzel: las células de perovskita. Este material, que también parte de un líquido y que por tanto es apto para superficies flexibles, empezó a usarse en 2009 y en menos de una década se han conseguido eficiencias del 25%.
Grätzel, que ha tenido un papel también muy relevante en la investigación de las células de perovskita, asegura que “el aumento tan rápido de eficiencia de la perovskita no se ha visto en ningún otro material”. Son cifras ya comparables a las placas convencionales de silicio.
Todos los colores de la naturaleza
Los nanocristales de Paul Alivisatos, también llamados puntos cuánticos (quantum dots), están igualmente en la base de numerosas aplicaciones, desde la búsqueda de nuevas fuentes de energía limpia hasta la electrónica de consumo y las técnicas de imagen biomédica. El galardonado ha sido clave en el desarrollo de los nanocristales mismos, como una nueva clase de macromolécula que puede ser estudiada, controlada y usada ampliamente. Por ejemplo, en fluidos, como las nanopartículas de Grätzel.
Controlar con alta precisión el tamaño del nanocristal implica controlar el color de la luz que emite, como explica el galardonado: “Un electrón en un nanocristal puede emitir luz, y el color de esa luz que emite dependerá del tamaño del nanocristal. Si es más bien pequeño, la energía de la luz será mayor, por lo que será una luz más azul. Y de esta manera se pueden usar nanocristales para hacer materiales que emitan todo el arcoíris de colores; un arcoíris tan grande que contenga todos los colores de la naturaleza”.
Una de sus aplicaciones de más éxito son los monitores desarrollados a mediados de los noventa y que hoy están incorporados en los televisores QLED. Alivisatos demostró que era posible fabricarlos con alta resolución y lograr que fueran a la vez muy eficientes en el uso de la energía. Además, en el campo de la biomedicina, Alivisatos y su grupo desarrollaron nanocristales para tinciones de muestras biológicas –ajustando el tamaño del nanocristal, el fluido puede etiquetar un tipo u otro de células–. De hecho, actualmente hay en el mercado cientos de productos basados en puntos cuánticos destinados a imagen biomédica.
Los premios
Los Premios Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento reconocen contribuciones fundamentales en un amplio abanico de campos del conocimiento científico, la tecnología, las humanidades y la creación artística. La dotación de los galardones es de 400.000 €, un diploma y un símbolo artístico, en cada una de las ocho categorías.
Los premios correspondientes a 2020 (que no pudieron entregarse debido a la pandemia) y 2021 se entregaron el martes pasado en en el Palacio Euskalduna de Bilbao.
