Revista de Investigación en Gestión de la Innovación y Tecnología. ESTRATEGIAS, CONOCIMIENTOS E INNOVACIÓN II. Número 20, diciembre 2003

Publicamos en este número de la revista dos colaboraciones (referidas a lo más destacado de sus investigaciones) de los dos investigadores que han recibido recientemente los Premios Nacionales de Investigación y que trabajan en universidades madrileñas. Se trata de los profesores Luque (UPM) y Vázquez (UAM).

De acuerdo con la información publicada por el Ministerio de Ciencia y Tecnología (www.mcyt.es), el pasado día 3 de noviembre, Sus Majestades los Reyes hicieron entrega a los galardonados de los Premios Nacionales de Investigación en su convocatoria de 2003.

De los citados, los profesores Vázquez y Luque prestan sus servicios en universidades madrileñas^[1], y han tenido la amabilidad de ofrecernos su visión personal de las aportaciones más relevantes que han sido tenidas en cuenta para la concesión del Premio Nacional, en conexión con sus actividades investigadoras más recientes.

Son en total diez los Premios Nacionales de Investigación que se otorgan con carácter bienal. El pasado año se entregaron los de Humanidades (Menéndez Pidal), Ciencias de la Salud (Gregorio Marañón), Biología (Ramón y Cajal), Ingeniería (Torres Quevedo) y Derecho y Ciencias Económicas y Sociales (Pascual Madoz).

Los candidatos (que pueden ser presentados por universidades, organismos públicos de investigación, el Instituto de España, o un grupo de diez investigadores) han de tener nacionalidad española, y su obra investigadora debe haber alcanzado relevancia internacional mediante una contribución eminente al progreso mundial de cada área.

Catedrático de Análisis Matemático de la Universidad Autónoma de Madrid, el profesor Vázquez ha obtenido el galardón gracias a sus contribuciones a la metodología, técnicas y fundamentos matemáticos en el campo de las ecuaciones parabólicas no lineales que rigen los fenómenos de difusión en medios porosos.

Recogemos seguidamente el texto que el profesor Suárez ha redactado para divulgar el trabajo que ha dado lugar a la obtención del Premio.

El profesor Vázquez nació en Oviedo en julio de 1946, donde estudió en el Colegio Loyola de los PP. Escolapios. Posteriormente se traslada a Madrid para estudiar (entre 1964 y 1970) Ingeniería de Telecomunicaciones. En 1973 se licencia en Matemáticas por la Universidad Complutense de Madrid, que también le confiere el grado de doctor en Matemáticas en 1979. Ha realizado estudios postdoctorales en la Universidad de Minnesota (con una beca Fulbright), y colaborado -entre otros- con diferentes grupos de investigación de las universidades de París, Roma, Moscú, Princeton y Berkeley.

Ha presidido la Sociedad Española de Matemática Aplicada (SEMA), y sido miembro del Comité español ante la Unión Matemática Internacional (UMI).

En la actualidad es miembro del Comité español encargado de organizar el Congreso Mundial Matemático (Madrid, 2006).

Es uno de los seis científicos españoles que figuran en la "Base de Datos ISI de Científicos Altamente Citados", gracias a la calidad de los más de 160 artículos de investigación que ha publicado en revistas internacionales, así como diversas monografías. Ha dirigido las tesis doctorales de nueve estudiantes que hoy son profesores en diferentes países.

Una de las pasiones que reconoce el profesor Vázquez es el conocimiento de otras lenguas. Habla -además de la española- las lenguas inglesa, francesa, italiana; y con diferente destreza otras tales como la catalana y la portuguesa. Comparte con el profesor Luque el amor por la lengua latina, lo que explica el "summarium" que nos propone.

La investigación del autor está centrada en el estudio de las ecuaciones diferenciales, especialmente ecuaciones en derivadas parciales no lineales, y sus aplicaciones a la física y la ingeniería, utilizando los potentes métodos actuales del analisis matematico. Soluciones especiales y métodos asintóticos son usados en el estudio matemático de los procesos difusivos, que representan cambio de fase o se modelan con fronteras libres.

Aequationes differentiales, in primis aequationes non lineares cum derivatis partialibus, maxime quae ad rationem scientiarum naturalium et technicarum pertinent, et per potentes methodos hodiernas analysis procedunt, fundamentum operis auctoris constituunt. Solutionibus specialibus et methodis asymptoticis usus est in analysi diffusionis aut mutationis phasis aut fines liberos exhibentium phaenomenorum.

Contexto científico. Junto con un extenso grupo de matemáticos madrileños he participado en la creación y desarrollo en Madrid de los estudios de Ecuaciones Diferenciales Aplicadas que tienen su base en la matemática abstracta (principalmente las ramas de Análisis, Ecuaciones Diferenciales Ordinarias, Ecuaciones en Derivadas Parciales y Geometría Diferencial) y abordan con ella los modelos matemáticos que plantean las ciencias (Física de Fluidos, Climatología, Termodinámica, Biología, Ecología y otras ), la Ingeniería (Hidráulica, Aeronáutica, Comunicaciones, Imágenes, Minería y Petróleo, ...), la Economía, la Informática, la Medicina u otras muchas actividades. 30 años después existen diseminados por nuestro país grupos consolidados en muy diversos frentes de esta actividad que combina Matemáticas y Vida Práctica bajo el (un tanto ambiguo) nombre de Matemática Aplicada.

Quisiera ver el galardón "Rey Pastor" de 2003 como reconocimiento no solo a mi trabajo sino también a la labor continua y brillante de estos grupos que han resistido en los tiempos buenos como en los malos con un volumen de producción y calidad siempre en aumento. Nuestros grupos han trabajado 3 decenios en este frente poniendo a España al nivel que (más o menos) le corresponde en el concierto mundial. Por poner un dato, en porcentaje de producción en revistas homologadas las matemáticas en su conjunto han pasado en 20 años de un 0,4% al 4,4% de la producción mundial.

Una reflexión sobre las matemáticas. La matemática abstracta es la única matemática que hay, pero aplicarla para desvelar su sorprendente eficacia para modelar el mundo moderno, y hacerlo así computable, predecible y controlable, es una tarea de la máxima exigencia intelectual. Esta tarea no es aún bien comprendida del público, lo cual es sorprendente cuando alrededor se ve sin dificultad cuánto depende de esta conexión científica el progreso material de nuestra sociedad.

Intereses de investigación del profesor Vázquez. El título genérico de mis trabajos es : Ecuaciones en derivadas parciales y aplicaciones. Las áreas concretas de investigación son: Ecuaciones en derivadas parciales no lineales, Problemas de frontera libre. Métodos asintóticos. Métodos de autosemejanza. Singularidades, explosión y extinción.

Este trabajo se encuadra en descriptores más amplios: Ecuaciones diferenciales, Análisis no lineal, Sistemas dinámicos, Modelización matemática.

Aplicaciones: Física de medios continuos, especialmente descripción del movimiento de los fluidos en medios porosos.. Propagación del calor. Matemáticas de la combustión. Problemas de transición de fase. Ecuaciones cinéticas.

Cómo funciona. En la práctica y en un caso modelo, un problema de la física o la ingeniería sugiere el estudio de las leyes matemáticas que rigen los procesos. Estas son con gran frecuencia ecuaciones diferenciales que prescriben la evolución en el tiempo, t, de una variable física, por ejemplo la presión de un fluido p(x,y,z,t), que también varía en el espacio. El matemático de nuestros equipos es experto, no en presiones y tiempos exactamente, sino en comprender cómo varían funciones como p sometidas a leyes diferenciales como las que no les escribiré. El proceso se llama integración. Es un viejo y ambicioso proyecto que dejó planteado Isaac Newton en el siglo XVII y que les resumo así:

A continuación recogemos el texto redactado al efecto por el profesor Luque, tras una sucinta semblanza de sus méritos, recogida de la citada publicación del Ministerio de Ciencia y Tecnología, así como de la página electrónica del Instituto de Estudios Solares (www.ies.upm.es).

Antonio Luque ha merecido el Premio Juan de la Cierva de Transferencia Tecnológica por sus aportaciones científicas al campo de la energía fotovoltaica, a las tecnologías de fabricación de células solares, a la aplicación de las energías renovables y a la formación de tecnólogos en esta materia.

Es Director del Instituto de Energía Solar, catedrático de Tecnología Electrónica de la Escuela Técnica Superior de Telecomunicación de la Universidad Politécnica de Madrid, y Académico de Ingeniería.

Miembro de Honor del Instituto IOFFE de San Petersburgo, ha obtenido -entre otros- los premios Alexandre Edmond Becquerel de la Comisión Europea a la investigación fotovoltaica (1992), el Rey Jaime I a la Protección del Medio Ambiente (1999), y el Premio Nacional de Investigación Torres Quevedo en 1987.

En 1981 fundó la empresa Isofotón, dedicada a la fabricación de células bifaciales por él inventadas. En 2001 era la primera empresa europea de su rama de actividad por volumen de fabricación, y la séptima del mundo.

He aquí el texto que nos ha remitido el profesor Luque relativo a sus investigaciones más recientes.

Antonio Luque
Premio Juan de la Cierva 2002 de Trasferencia de Tecnología
Instituto de Energía Solar, Universidad Politécnica de Madrid

Se presenta en este artículo la posición española en la fabricación de células solares y se muestra su capacidad para generar tecnología en este sector.

Ostendetur hic quantae cellulae solares ab Hispanis facti sunt, quantae a civitatibus alliis et quem ad modum ratio technicae illae in civitate nostra orta est

La energía solar fotovoltaica, para generar electricidad a partir de la luz solar, se encuentra en una fase de gran expansión (ver figura 1), con expectativas de alcanzar en el futuro una importante contribución a la producción mundial de electricidad (ver figuras 2 y 3). España ha sido en los años 2000 y en 2001 el tercer fabricante mundial de células solares (tras Japón y EEUU) y primero europeo^[2,3], y el cuarto en 2002 cuando la producción de Alemania ha sobrepasado la de España. Sin embrago España es un icreible exportador ya que sus ventas en el exterior —a unos de 70 países en los cinco continentes— alcanzan al 90% de su producción de células solares y llegan a la cuarta parte del mercado alemán, el segundo mayor del mundo.

Figura 2. Los diez mayores fabricantes de células solares en 2001.
Producción en MW.

Fuente: Ref 1.

Por una parte de la compañía Isofotón, un spin-off de los años 80 de la Universidad Politécnica de Madrid, de la que tuve el honor de ser presidente fundador entre 1981 y 1990. Esta compañía nació para fabricar las células bifaciales que había inventado^[4] y desarrollado por aquellos años con Andrés Cuevas, Javier Eguren, Jesús del Álamo y José Mª Ruiz y Gabriel Sala que dirigió, por parte de la Universidad, el proyecto de transferencia de tecnología a Isofotón. En 2001 la compañía Isofotón fue la 7ª mundial y en 2002 la 8ª por el volumen de fabricación (ver figura 3). Es también (en 2001 y 2002) la primera compañía en Europa (teniendo en cuenta sólo la fabricación el suelo europeo). La compañía exporta la gran mayoría de su producción. El año pasado (2002), Isofotón —un spin-off de la UPM— que facturó unos 75 millones de euros ya no era una PYME (no lo era ya tampoco en 2001). Ese año Isofotón obtuvo el Premio Príncipe Felipe a las Energías Renovables y a la Eficiencia Energética.

Figura 3 Evolución de la producción de energía.

Fuente: Energy Needs Choices and Possibilities. Scenarios to 2050.
Presentado por Philip Watts, Chairman, Royal Dutch/Shell Group.
La solar (FV) es la más importante en 2060

Quizá sería ahora el momento de explicar qué es una célula bifacial pero para ello hemos de empezar hablando de las células convencionales.

¿Que principio gobierna a las células solares?. Están hechas de un material semiconductor, hoy día generalmente el silicio cristalino; el mismo que se usa para la fabricación de los famosos chips microelectrónicos. En un semiconductor los fotones o cuantos de luz de suficiente energía bombean a los electrones desde la llamada banda de valencia, donde suelen encontrase, a la llamada banda de conducción, más energética. Ambas bandas están separadas en el eje de energías por la llamada banda prohibida. Desde esta banda de conducción los electrones pueden extraerse a un circuito exterior mediante un contacto metálico hecho en una región llamada "tipo n", fabricada dopando, es decir impurificando localmente el semiconductor con un elemento químico adecuado; fósforo, por ejemplo en el caso del silicio. Tras perder su energía en realizar el trabajo eléctrico que se desee (encender luces, poner en marcha la lavadora, etc.), los electrones se retornan a la banda de valencia del semiconductor en cuestión mediante otro contacto a una región llamada "tipo p", dopada con otro elemento químico; por ejemplo, boro en el silicio.

Las células solares convencionales sólo son activas por su cara frontal, no sólo porque la cara posterior de la célula esté recubierta de un contacto metálico opaco, sino también porque sólo electrones bombeados en la proximidad de la superficie frontal son entregados al circuito externo. Los pocos generados hacia el interior vuelven a caer en la banda de valencia a través de los procesos llamados de recombinación. Durante una década a partir de 1974 se lanzó una investigación ambiciosa en la que se examinaron tres tipos de posibles células bifaciales. La finalmente elegida para industrializarla se basó en usar un material de base menos dopado de lo habitual, en el que la recombinación era menor, y añadirle un dopaje de boro adicional en la cara posterior para asegurar un buen contacto a la banda de valencia^[5],^[6]. El buen comportamiento de estas células sorprendió a sus inventores, y se explico por un modo de operación —en alta inyección^[7]— que no se aplicaba en la fecha para la interpretación de las células solares.

En la célula bifacial el contacto posterior, como es usual en el frontal, se hacía mediante una rejilla metálica para dejar pasar suficiente luz

La motivación inicial para desarrollar las células bifaciales fue, en realidad, su uso en concentradores estáticos que ahorraran el costoso silicio. Estos concentradores, sin órganos móviles, habían sido desarrollados recientemente para aplicaciones térmicas por Roland Winston y sus colaboradores del Instituto Fermi de la Universidad de Chicago. El básico teorema de la conservación del brillo limita el valor de la concentración alcanzable con un sistema estacionario^[8]. El uso de células bifaciales permitía duplicar la concertación alcanzable que en teoría podía llegar hasta alrededor de ocho. Se fabrico un prototipo de concertador estático con una concentración de alrededor de cuatro.

Sin embargo se descubrió pronto una solución que parecía mucho mas simple y apta para la comercialización inmediata consistente en encapsular las células bifaciales en módulos semejantes a los de las células convencionales pero con la cara posterior trasparente, y pintar de blanco el entorno en el que se iban a instalar los módulos^[9]. Son los llamados módulos colectores de albedo. Una superficie nevada hace caer en la cara posterior del módulo el 80% de la energía incidente en la frontal, y un diedro de dimensiones medianas colocado tras el módulo da un albedo de más del 50%., aunque en configuraciones típicas éste no supera el 35%. Con este bagaje se fundó Isofotón en 1981, y las células bifaciales salieron al mercado a partir de 1982.

Estas células, cuya producción redujo drásticamente Isofotón desde 1987 en favor de las células solares convencionales, por estimar que la eficiencia adicional del acondicionamiento del albedo no compensaba el sobreprecio de fabricación, han sido objeto de un renovado interés desde 1995, año en el que demostramos la eficiencia, confirmada externamente, de 18.2% por la cara frontal y 19.1% por la posterior^[10]. A partir de entonces los laboratorios de mayor reputación desarrollaron células bifaciales consiguiendo los mejores resultados el Instituto Faunhofer de Energía Solar, en Friburgo, con mas del 20% por cada cara. Esto da lugar a rendimientos efectivos (no considerando en el denominador la entrada de una energía posterior de un 50% de la frontal) de más del 30%, inalcanzable con silicio por otros medios (récord, 24.7 % en la UNSW, Sidney). También hay pruebas fehacientes de que el interés industrial (extinguidas ya por cierto nuestras patentes) se ha incrementado.

Hoy, la tendencia general para abaratar los costes de fabricación de las células de silicio incluye como aspecto fundamental la reducción de su espesor. Para esto es preciso realizar algún tipo de reflector de electrones en la cara posterior, que es precisamente lo que tienen nuestras células bifaciales. Además, se necesita un reflector de fotones para que no escapen los atraviesan la delgada célula. Hemos demostrado^[11] que la interfacies silicio-aire de la cara posterior de la células bifaciales, por virtud de la reflexión total interna, constituye un excelente y sencillo y reflector de fotones, preferible a sus alternativas. En consecuencia, ya sea para iluminación monofacial o bifacial la célula bifacial va a ser probablemente la opción preferida para las células delgadas de silicio que se avecinan.

Dick Swanson, de Sunpower Corporation, en un articulo invitado^[12] en Progress in Photovoltaics compara los costes potenciales de una docena de tecnologías fotovoltaicas. Para una instalación pequeña en un área climáticamente no muy favorable (Boston), la opción mas barata resulta ser el concertador estático, seguido de los módulos colectores de albedo.

La segunda compañía que contribuye a hacer de España una potencia industrial fotovoltaica es BP solar, propiedad de la petrolera PB que ocupa el segundo lugar en el ranking mundial de células solares, con fábricas en EEUU, España, Australia y la India. La fábrica de BP en España aunque menor que la de Isofotón es la cuarta de Europa y tiene (como Isofotón) importantes planes de expansión. Con BP Solar mentenemos una colaboración muy enriquecedora en al área de sistemas de concentración (con Gabriel Sala y colaboradores) y de la mejora de sus células solares (con Carlos del Cañizo y colaboradores).

Por último, completa el parque industrial español de fabricación de células solares la empresa Atersa, que pionera en su actividad comercial tenía la exclusiva de ventas de Isofotón en el mercado español. Tras diferencias con la nueva propiedad de Isofotón decide la instalar una planta de fabricación en Valencia con tecnología de la compañía americana Astropower la cual es posteriormente comprada en su totalidad por Astropower compañía que mantiene en España la fabricación iniciada por Atersa.

El crecimiento del sector fotovoltaico, que utiliza mayoritariamente (90%) silicio ultrapuro semejante al usado en microelectrónica, puede llegar a producir una escasez del mismo a costes razonables. Es urgente desarrollar un silicio solar más barato que el actual silicio ultra puro, que sin embargo permita fabricar células de buena calidad. Ferroatlántica, que es la segunda productora europea de silicio metalúrgico, ha apreciado la situación y ha iniciado los primeros pasos de un proyecto ambicioso multidisciplinar de purificación distribuida, en colaboración también con el Instituto de Cerámica de Galicia, con Isofotón y con mi Instituto, que contempla la purificación del silicio en Ferroatlántica en la fase de reducción del cuarzo, introduciendo etapas para capturar el boro y el fósforo en escorias, una purificación por difusión a óxidos en un reactor de lecho fluido. Purificaciones adicionales se realizarían en Isofotón por segregación de impurezas a la fase líquida en la etapa del crecimiento de cristal y por gettering (extracción) en el procesado de las células^[13]. Ya se ha crecido un monocristal basado en este material y hemos hecho (con C. del Cañizo y L.J. Caballero e Ignacio Tobías) células solares con resultados (8%) que son prometedores.

Figura 4. Esquema de una célula solar de banda intermedia.

En la región central la banda intermedia permite la absorción de fotones de baja energía. Dos de ellos pueden causar, mediante pasos consecutivos por ejemplo, el bombeo de un electrón de la banda de valencia a la de conducción. Las zonas ordinarias de los extremos permiten contactos selectivos a las bandas de valencia y de conducción

En resumen, esto sería establecer en España el proceso industrial completo de fabricación de células solares, lo que a escala nacional sólo existe en Japón, USA y Alemania.

Pero nosotros entendemos si bien el silicio es la tecnología dominante hoy, a la que hay que apoyar con determinación, porque es con la que la industria fotovoltaica va a seguir creciendo en la presente década y probablemente más allá, es preciso desarrollar otros conceptos que hagan un mejor uso del espectro solar (las células de silicio responden con eficacia sólo a una radiación monocromática) para poder alcanzar competitividad en precios con las fuentes no renovables. De este modo emprendido, con Antonio Martí, Perla Wahnón, Lucas Cuadra, César Tablero y otros, el estudio de conversión fotovoltaica con procesos de dos fotones^[14] que daría un rendimiento mucho mayor a las células solares. Esto entraña la necesidad de desarrollar materiales con una banda intermedia entre las de valencia y de conducción. De este modo un fotón de dos fotones de energía inferior a la banda prohibida del semiconductor podría bombear un electrón desde de la banda de valencia a la de conducción usando como paso intermedio el bombeo a la banda intermedia. Mediante el uso de la nanotecnología^[15], usando puntos cuánticos, hemos fabricado en el seno de un proyecto europeo (MIBCELL) que coordinamos, en colaboración con la Universidad de Glasgow, células solares de banda intermedia que aunque todavía no superan a las células solares ordinarias fabricadas simultáneamente (no se buscaba en estas estructuras que todavía son de prueba), sí que muestran la esperada absorción de luz con fotones de baja energía y el aumento de corriente correspondiente. Por otra parte hemos demostrado también experimentalmente el potencial de obtención de alto voltaje dela estructura de banda intermedia mencionada.

Pero más allá de nuestra tarea que podamos hacer en nuestro Instituto creemos que el pleno desarrollo de la energía solar fotovoltaica mencionado requiere una acción de mayor alcance. Por ello hemos conseguido un Proyecto Integrado^[16] con 19 centros europeos (entre las que se encuentran las empresas españolas Isofotón e Inspira), que coordinamos, para mejorar el aprovechamiento del espectro solar en las células solares. Seguramente será la acción organizada más ambiciosa para romper la barreras tecnológica que encorsetan hoy a la tecnología fotovoltaica.

En resumen creemos que nuestras investigaciones han tenido influencia en hacer de España una potencia científica e industrial bastante importante en la conversión fotovoltaica de la energía solar. Como hemos intentado expresar esta tecnología va a llegar a ser muy probablemente una de las tecnología mayores en el suministro de electricidad de este siglo y nosotros esperamos poder contribuir también a hacer realidad este pronóstico.

[1] El profesor Rico trabaja en el Instituto Rocasolano (CSIC), también situado en nuestra Comunidad. Lamentablemente, no ha sido posible contar con un texto suyo para este artículo.

[2] “Beyond Expectations, Market survey in world cell production in 2001”, Photon International, March 2002, ver página 43.

[4] A. Luque. Double-sided solar cell with self refrigerating concentrator. U.S. Patent nr. 4.169.783 Oct. 2, 1979, priority Nov. 1, 1977

[6] A. Cuevas, A. Luque, J. Eguren y J. del Alamo. Solar Cells, 3, 337-340 (1981).

[10] A. Cuevas, A. Luque, J. Eguren and J. del Alamo. Sol. Energy, 29, 419-420 (1982).

[11] A. Moehlecke, I. Zanesco and A. Luque. “Practical high efficiency bifacial solar cells”, in Proc. 1st World Conference on PV Energy Conversion, (IEEE: New York, 1994) pp. 1663-1666.

[12] I. Tobías, J.M. Rodriguez, A. Luque, Progress in photovoltaics, 3, 177-187 (1995)

[15] A. Martí, L. Cuadra, A. Luque, IEEE Transactions on Electron Devices, 48 2394 (2001)