Foto de un técnico manejando equipos de ultra alto vacío utilizados para la deposición de materiales semiconductores

Introducción a la Investigación en Energía Solar Fotovoltaica

Un análisis descriptivo de qué es lo primero que debemos hacer para iniciarnos en la investigación de energía solar fotovoltaica.

CSIRO, CC BY 3.0, via Wikimedia Commons   

Mar 15 de Marzo de 2022

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Desarrollar celdas solares no es una empresa para nada fácil. Para ello, se requieren sólidos conocimientos en múltiples áreas de la ciencia y de la tecnología, laboratorios, mucho presupuesto y una gran motivación para encontrar soluciones a problemas que son en extremo complejos. Sin embargo, una vez que se superan estas “nimiedades” u obstáculos, que cualquier persona realmente interesada en el tema puede llegar a superar, es posible convertirse en un investigador de primera línea en esta área. Esta sección consta de una serie de artículos cuyo objetivo es orientar a esas personas que están interesadas en convertirse en investigadores en el área de las celdas solares fotovoltaicas.

¿Cómo se llega a ser un investigador en celdas solares fotovoltaicas?

Definitivamente para ser un investigador en celdas solares se necesita ser un físico, al menos en la actitud y en el proceder. Lo ideal sería poseer un título de licenciado en Física, o formación formal en cualquiera de las carreras en ciencias básicas o de ingeniería. Pero, la realidad es que un certificado o título en cualquiera de las carreras universitarias no es más que un certificado de que ese estudiante en algún momento leyó, vió o estuvo expuesto a información relacionada con el tema objeto de la materia de estudio, y que al momento de evaluar demostró un mínimo de suficiencia en esa materia. Un título no es garantía de que domine los conceptos de su profesión, e incluso los más básicos y fundamentales.

Convertirse en un físico

En lo particular, no creo que sea estrictamente necesario tener una formación formal en ciencias siempre y cuando ésto se compense con un alto grado de motivación y dedicación. Estoy convencido que una persona motivada que ha decidido entender por su cuenta conceptos tan complejos como el tunelaje mecánico cuántico, utilizando para ello fuentes de información reconocibles, verificables y racionales; es una persona que está tan preparada, o mejor preparada, que los cientos de estudiantes a los que uno enseña en las universidades, y que en la mayoría de los casos hacen el mínimo esfuerzo durante un corto período de tiempo, para obtener la calificación mínima para considerar superada la materia objeto de estudio. Además, con la tecnología e infraestructuras que existen hoy día, cualquiera puede tener acceso a los cursos más relevantes de la ciencia y de la tecnología, como por ejemplo, un curso completo de física cuántica en el MIT.

En cualquier caso, ser físico es más cuestión de actitud ante los fenómenos de la naturaleza, que una profesión u oficio. En una carrera formal de física el estudiante aprende una gran cantidad de herramientas matemáticas; aprende a resolver una enorme cantidad de problemas diversos; y finalmente domina unos cuantos modelos matemáticos que son capaces de describir con mucha precisión lo que nuestra percepción e imaginación logra observar en la naturaleza. Pero lo más fundamental que aprende todo físico, es que la ciencia no es más que un gran conglomerado de modelos matemáticos que tratan de explicar lo que somos capaces de observar y percibir de la naturaleza, y que dichos modelos solo funcionan bajo condiciones muy específicas y en extremo acotadas. Un físico jamás argumentaría que tiene la verdad o conocimiento absoluto de un fenómeno o evento, sino que está consciente de que lo único con lo que cuenta es con una interpretación viciada, que ha sido concebida a través de la utilización de un modelo escueto, falaz, y de muy limitado alcance. Solo aquellas personas que no tienen formación científica, o que buscan manipular la opinión de las masas como tristemente hacen muchos grandes medios de comunicación o información, se atreverían a afirmar como hechos o verdades absolutas las interpretaciones de los modelos científicos que están de moda a la época.

Nuestra capacidad de percepción es limitada

No es que la ciencia no sea capaz de encontrar las verdades absolutas de este universo, porque reconocerse como científico es aceptar que el método científico nos acerca asintóticamente a esa verdad absoluta; sino que es un problema de nuestra percepción limitada. Imagina que tienes ante tí, a la distancia, un hermoso y super brillante unicornio azul. Pero resulta, que tú estás observando ese unicornio a través del culo de una botella que desfigura por completo esa imagen. Es más, te das cuenta que no es solo un culo de botella, sino que son cientos o tal vez miles de ellos entre tú y ese unicornio. De hecho, terminas por darte cuenta de que no tienes ni la menor idea de cuántos culos de botella hay de por medio entre tú y el objeto que observas. Ahora, trata de describir la imagen que observas de ese unicornio super brillante azul visto a través de todos esos culos de botella. Seguramente, no tendría ninguna semejanza en absoluto con ese unicornio y serán imágenes extrañas y complicadas, con una cantidad de información tan convolucionada que sería imposible en la práctica deducir que eso es un unicornio.

Ahora, con todos esos culos de botella comienza a observar cualquier otro objeto a tu alrededor. A partir de todas esas líneas y formas que observas, ¿Eres capaz de deducir qué es lo que realmente estás viendo? Pues, sería realmente irresponsable afirmar con un cien por ciento de certeza que estás viendo un objeto en particular. Esa es nuestra realidad, y es más o menos así como los físicos percibimos todo lo observable en este universo. Nadie puede afirmar con certeza que lo que está observando es tal cosa.

Entonces, ¿No es posible llegar a ver a ese objeto tal como es? Los que decidimos dedicarnos a la ciencia creemos que sí es posible hacerlo, utilizando para ello el método científico. El método científico nos permite crear modelos matemáticos que alteran nuestra manera de ver y concebir lo que observamos; son como las correciones a las deformaciones que hace un culo de botella. Cada nuevo modelo científico va corrigiendo la deformación de un culo de botella a la vez, y en teoría, en algún momento debemos llegar a visualizar a ese objeto tal como en realidad es. Al menos esa es la fe científica.

Que no nos abrume la paranoia en la percepción de la realidad

La realidad no es más que un constructo que hace nuestro cerebro a partir de la interpretación de los estímulos que recibe del medio ambiente. Pero hay que tomar en cuenta que cada persona es diferente en todos los sentidos posibles. Sus pupilas son de diferentes tamaños, sus membranas auditivas son de diferentes áreas y formas, sus papilas gustativas y en general todos los órganos sensoriales son diferentes en todos los seres humanos, aunque poseamos sensores similares. Esta diversidad plantea serias dudas de si todos los seres humanos realmente vemos, olemos, escuchamos y sentimos todos esos estímulos sensoriales de la misma forma y que los estamos interpretando de igual manera. Tal vez, la coincidencia no es más que educacional y cultural.

Cuando un niño dice que un objeto es azul, ¿Estará viendo exactamente el mismo color que nosotros? O solo es el hecho de que está repitiendo lo que le enseñamos. Cuando le mostramos un objeto a un niño y le decimos que esto es azul, y su cerebro define ese color con ese nombre, no hay manera de saber si es el mismo color que nosotros vemos. Pero cada vez que el niño ve ese color dirá que es azul. Lo mismo ocurre para todo lo que se observa a nuestro alrededor; nos enseñaron al mostrarnos que ese trazado en particular es una línea recta, pero ¿Estamos todos viendo exactamente lo mismo? No hay manera de saberlo, pero lo cierto es que una vez que se define el lenguaje en nuestro cerebro, a través de una asociación de ese objeto o característica con un léxico particular, nuestra realidad queda definida. De hecho, es el lenguaje lo que realmente va construyendo nuestra realidad y la precisión en el uso de ese lenguaje es lo que nos hace transcender en nuestra comprensión de este universo. Lo que muy pocos llegan a comprender es que vamos a las universidades es aprender nuevo lenguaje, donde ahora fuerza no es cualquier palabra, sino que representa a un ente proporcional a la inercia de un cuerpo y que afecta la rapidez con la que cambia la rapidez de desplazamiento de ese objeto. Ser precisos en el uso de cada uno de los términos relacionados con un área particular, es lo que nos convierte en profesionales de esa área.

El problema con esta cosmovisión es que la mayoría de las veces genera percepciones de la realidad que pueden considerarse infundadas, y las ideas que la sustentan solo tienen sentido en la mente e instinto del físico. Esta condición en particular es una enfermedad definida como paranoia, y su gravedad es determinada por el grado de obsesión y creencia que se tenga en esas ideas particulares. Todo físico investigador, generalmente pionero en algún área del conocimiento, es un total paranoico, y la única cura ante la sociedad es que su modelo científico, matemáticamente coherente, sea capaz de describir a esa forma de ver y concebir el mundo que nos rodea.

Decidir ser investigador

Así, convertirse en un físico es el primer paso para ser un investigador y como ya hemos visto, ésto significa tener una actitud y una forma muy particular de percibir el mundo que nos rodea. No se requiere de un certificado para adaptar nuestra mente a pensar y a dudar constantemente de nuestos sentidos; a ser un completo escéptico y solo atenerse a lo que los modelos matemáticos coherentes son capaces de describir. Tal vez, la única concesión que se nos permite es la de interpretar lo que ese modelo matemático es capaz de generar como visión de la naturaleza; pero el modelo y el método científico son los únicos que pueden indicarnos el camino que tomamos para sacar conclusiones sobre esa interpretación de la realidad que estamos percibiendo.

Evidentemente, para ser un investigador se requiere además todo un cuerpo de conocimientos sobre el área objeto de estudio. Pero ésto es obvio, y por ello no lo he mencionado, porque los conocimientos se van adquiriendo o generando a medida que nos volvemos especialistas en el área objeto de estudio. En la academia tradicional la formación se hace con un modelo tipo piramidal, donde en la base las personas adquieren una enorme cantidad de conocimientos y herramientas generales, que en teoría le serán muy útiles y necesarios para el adecuado ejercicio de su profesión. Luego, la formación de estos profesionales se enfoca en áreas de especialización muy especificas, porque La realidad es que la mayoría de esos conocimientos generales no llegan a ser suficientes para satisfacer las necesidades de las diversas profesiones. De hecho, en este modelo tradicional, todo profesional requiere de una reeducación a través de cursos de especialización si quiere ser exitoso en su profesión. Lo mismo ocurre para el caso de la carrera de investigador, que es ejercida solo por profesionales que deciden especializarse en áreas muy específicas de la ciencia y de la tecnología, llegando en la mayoría de los casos a la super especialización en alguno que otro modelo en su área objeto de estudio. Todo ésto se logra usualmente a través de los postgrados y doctorados.

En este caso, para ser un investigador bajo la perspectiva desarrollada en este sitio web, he decidido utilizar un modelo tipo piramide invertida, en lo que a los requisitos de formación se refiere para lograr convertirse en un investigador. Es decir, se comienza por un problema muy específico, que es desarrollar celdas solares fotovoltaicas, y se van adquiriendo todos los conocimientos generales necesarios para entender ese problema específico, y eventualmente abarcar toda la información y modelos matemáticos necesarios que describan mejor la problemática que observamos. Este es el enfoque que vamos a utilizar para decidir convertirnos en investigadores.

¿Qué insumos y herramientas requiere un investigador?

Definitivamente, el principal insumo de todo investigador es la información técnica. Información ténica que puede ser obtenida de libros académicos o en forma de artículos científicos que hayan sido publicados preferiblemente en revistas arbitradas.

Los libros técnicos académicos y artículos científicos publicados en revistas arbitradas son los que tienen mayor preponderancia como fuentes de información para la investigación de primera línea. Ésto se debe al hecho de que este tipo de publicaciones normalmente son revisadas por pares, es decir, por otros científicos de renombre que tienen experiencia en la misma área de investigación y en el tema que trata el artículo. Aún cuando este sistema de “arbitraje” es bastante subjetivo, ofrece un método bastante eficiente de filtrar publicaciones que no cumplan con un mímino de calidad con respecto a las metodologías utilizadas para la toma de datos experimentales, análisis de esos resultados, y sobre todo las implicaciones de las conclusiones derivadas de dichos análisis.

No todo lo que se publica en estos libros y artículos puede ser considerado cien por ciento confiable, ya que en últimas son las interpretaciones que hace un grupo de personas acorde con su formación y entendimiento del tema tratado. Pero, lo realmente importante es que han seguido una metodología, un análisis y han llegado a una serie de conclusiones con esos datos, que tú mismo puedes verficar y reanalizar. Sólo deberías confiar y tomar como referencia los resultados de los artículos que tú llegas a comprender a plenitud y en los que eres capaz de llegar a las mismas conclusiones.

También hay que resaltar que en la literatura científica hay mucha basura, y debes ser muy selectivo a la hora de aceptar las conclusiones de cualquier artículo, sobre todo porque cada nuevo resultado que adoptes como válido para tí, pasará a formar parte de tu bagaje científico, y en principio modificará tu manera de percibir y concebir la realidad que nos rodea.

El acceso a la información científica

El acceso a la información científica es indispensable para poder llevar a cabo las actividades de investigación. Este es el primer gran escollo que enfrenta cualquier persona que decide dedicarse a la investigación científica, sobre todo si no puede acceder a alguna biblioteca universitaria de primer mundo. Los costos de los libros académicos y de las publicaciones científicas son prohibitivos, por el orden de las decenas o cientos de dólares por cada uno de ellos. Tomando en cuenta que un investigador leerá varios miles de artículos durante el ejercicio de su profesión, el costo de la información llega a ser simplemente absurdo, y se convierte en la principal barrera para el avance científico autónomo de la humanidad. El debate sobre la ética, inmoralidad o legalidad del acceso y propiedad de la información científica siempre estará en discusión con las legislaciones actuales sobre propiedad intelectual, y sobre todo por las condiciones draconianas que imponen los monopolios que se adueñaron de dicha información científica. El hecho contundente es que sin información científica, no hay nada que se pueda hacer como labor en el rol de investigador.

Así, la principal herramienta de trabajo que debe disponer toda persona que decida dedicarse a la investigación, es el acceso a la información científica. Ésto no es fácil lograrlo, porque puedo asegurar que gran parte de la población mundial no tiene manera legal de acceder a esa información, a menos que se asocien con los grupos de investigación privilegiados que si disponen de dicho acceso. Muchas organizaciones e individuos están luchando por facilitar ese acceso a la información científica, básicamente como un derecho fundamental de la humanidad, a través de la creación de las revistas de acceso libre, promoviendo el debate, o a través de plataformas piratas. Un caso muy particular es la discusión sobre la problemática de SCI-HUB, una de estas plataformas piratas que da acceso gratuito a varios millones de artículos que han sido publicados en revistas científicas arbitradas.

La inequidad en el acceso a la información científica, es una de las principales causas de la diferencia tan marcada en el avance tecnológico y científico de los países, y de los diversos grupos de investigación. Por supuesto, que el financiamiento y los presupuestos para investigación juegan un rol fundamental en el avance científico, pero aún con el financiamiento adecuado es imposible hacer investigación de calidad si no se cuenta con el acceso a la información científica. En cambio, aún con poco presupuesto pero con información suficiente, es posible llegar a realizar grandes avances en diversas áreas del conocimiento humano.

Lo que define en primera instancia a un investigador es su capacidad para resolver el acceso a la información científica que le es tan necesaria para su avance y desarrollo.

Conectividad

Para casi cualquier línea de investigación en la que decidamos trabajar, el uso de un ordenador con acceso a internet es una herramienta indispensable en el día a día de un investigador. Lo utilizaremos para leer los artículos científicos en sus versiones digitales; para mantener bases de datos de todos nuestros resultados y análisis; y para realizar cálculos de cualquier índole. Un investigador sin ordenador, es un ser mítico en extinción.

Pero lo más importante que nos provee un ordenador es la conectividad con el resto del mundo. En el caso de la investigación científica la conectividad no trata de redes sociales o de mensajería entre pares, sino conexiones con grandes centros de datos y de software. Por ello, para realizar investigación de primera línea en casi cualquier área del conocimiento, debemos contar con un ordenador que tenga instalado un sistema operativo de excelente calidad, tal como son la gran mayoría de las distribuciones de Linux. El sistema operativo ideal para casi cualquier investigador de primera línea es la distribución Ubuntu o Scientific Linux en cualesquiera de sus versiones. El sistema operativo Linux nos permitirá utilizar el mayor potencial de nuestro ordenador, sin ningún tipo de restricción técnica, legal o de costos, garantizando rapidez y eficiencia al momento de conectarnos con los grandes centros de datos en la nube. Entre otras ventajas, un ordenador para investigación con linux instalado permite aprovechar al máximo los lenguajes de programación científica o plataformas científicas como por ejemplo Anaconda, Lenguaje R, Matlab, etc.

Por supuesto, que se pueden utilizar otros sistemas operativos distintos, que en la mayoría de los casos son restrictivos y/o privados. En estos otros sistemas operativos cerrados, como por ejemplo los de Apple, puedes llegar a obtener un buen desempeño y lograr convertirte en un muy buen investigador de segunda. Incluso, puedes utilizar de manera bastante satisfactoria sistemas operativos como el Windows, que ofrece la empresa Microsoft, y con sus limitaciones aspirar a convertirte en un buen investigador de tercera. Tu sistema operativo es tu herramienta principal de trabajo, y su maleabilidad y capacidad de adaptarse a tus requerimientos es lo que definirá cuales serán tus limitaciones en tu desarrollo como investigador.

El investigador y la pregunta correcta

Un investigador puede contar con una amplia base de conocimientos, una excelente formación técnico académica, con un enorme presupuesto, grandes laboratorios e infinidad de herramientas de investigación, pero, si no cuenta con la habilidad o capacidad de hacer la pregunta correcta, entonces su trabajo como investigador será totalmente estéril, derivativo y de poca importancia para el avance de la ciencia y de la tecnología.

El poder hacer la pregunta correcta como investigador es una habilidad que se desarrolla con la experiencia, cada vez que analizamos de manera retrospectiva los resultados que hemos obtenidos de nuestra investigación, y hacemos una introspección sobre que tan satisfactorio es el avance logrado hasta ese momento. Cuando un investigador se hace una pregunta a la que no puede responder satisfactoriamente, debe evaluar en primera instancia si su incapacidad para responder es falta de conocimiento de su parte, o es que aún no se cuenta con una respuesta para dicha pregunta. Si el investigador ha logrado hacer una pregunta para la cual aún no se ha planteado ninguna respuesta objetiva y satisfactoria, entonces tiene ante sí un problema científico a resolver. La pregunta es la que define el problema, y el problema es lo se convertirá en nuestra línea de investigación principal.

No hay una receta o procedimiento específico para aprender a hacer la pregunta correcta, pero sin lugar a dudas existen atajos que te permitiran acelerar ese proceso. El atajo más eficiente es a través de los diversos programas de postgrados y doctorados que existen en múltiples universidades. Básicamente, estos programas de especialización son conducidos por grupos de investigación en áreas muy específicas, en donde los estudiantes de esos programas de postgrado se forman exclusivamente con el trabajo que ya están realizando esos grupos de investigación. La metodología es simple, al estudiante se le actualiza en todos los saberes que domina ese grupo de investigación, se le describen todas las interrogantes que se han construido con la experiencia de ese grupo, y finalmente se le presentan las diferentes preguntas que para dicho grupo son importantes a resolver, es decir, posibles temas de trabajo para sus tesis doctorales. Como vemos, es una vía expresa para tener una mínimo de experiencia de cómo hacer las preguntas adecuadas en investigación. Pero, lo importante a notar en todo este proceso, es que la clave está en que la información ya ha sido previamente condensada y/o concentrada en torno a un tema específico, a través de experiencias previas.

También es posible trabajar totalmente aislado y por tu cuenta para aprender a hacer la pregunta correcta, pero seguramente es un camino sumamente enrevesado y poco redituable. Te aseguro que te tomará mucho, mucho tiempo reinventar el agua tibia. Parte de la sabiduría de un investigador, es reconocer que es imposible dominar al cien por ciento, incluso una mínima parte, de la gran vastedad de información en cualquier área del conocimiento humano. Así que si decides ir solo en esta aventura, debes tomar en cuenta que solo podrás avanzar en la medida en que tengas acceso a la experiencia de otros investigadores o grupos de investigación. No se trata de solo leer las publicaciones que han hecho esos grupos de investigación, sino de entender cuál ha sido la lógica que han seguido dichos grupos de investigación para construir sus preguntas correctas. Sin lugar a dudas, solo se crece al pararse sobre los hombros de gigantes.

Hay que tomar en cuenta que la pregunta correcta no es en sí mismo una simple pregunta a la que responder, sino que es más bien una especie de gran cebolla, en la que tienes capas y capas de preguntas cada vez más simples, que van definiendo las tareas diarias que debes hacer como investigador, pero que en últimas todas esas preguntas solo buscan responder la interrogante mayor, como por ejemplo, ¿Hay vida en otros planetas? No es cuestión de responder si o no, si no de ir realizando experimentos, observaciones y estudios que te ayuden a responder con la mayor certeza posible, si existe o no vida en otro planeta. Los caminos a seguir en el proceso de investigación solo están limitados por la imaginación y las capacidades intelectuales y financieras del investigador. Puedes intentar deducir de si existe vida en otros planetas a través del análisis de la composición de su atmósfera, o a través de diversos métodos que tu te ingenies u otros investigadores se hayan ingeniado, para deducir las probabilidades de que allí exista un proceso biológico comparable a lo que nosotros definimos como vida. Otra aproximación puede ser a la bruto, enviando sondas espaciales a todos los planetas observables para hacer estudios in situ de la existencia o no de vida, o cualquier otro método que se te ocurra. El hecho, es que tu obsesión se enfoca en responder esa pregunta correcta, pero como reconoces tus limitaciones, entonces decides que tu aproximación es a través de volverte experto, por ejemplo, en todo lo relacionado con atmósferas planetarias y sus métodos de análisis para encontrar ese marcador, detalle o aspecto técnico que te indicará que es altamente probable que haya vida en ese planeta. Si te dedicas a la investigación en serio, caerás en cuentas que realmente no tienes capacidad ni tiempo para poder analizar toda la infinidad de situaciones que se te presentarán, y por ello, decidirás especializarte cada vez más en un área o técnica para responder tu pregunta correcta. Al final serás un super especialista en un área muy específica y serás considerado como un investigador de primera, porque no perderás de vista tu objetivo fundamental que es responder a la pregunta correcta. Así es como construimos la ciencia entre todos.

Iniciarse en la investigación de nuevas celdas Solares fotovoltaicas

Hemos visto a lo largo de este artículo cuales son los elementos claves que debemos tener para convertirnos en un investigador; la aptitud y proceder de un físico; el acceso a la información científica; un bagaje de información en constante crecimiento, conectividad y la capacidad para hacernos la pregunta correcta en nuestra área de investigación.

Para poder continuar en el desarrollo de esta sección para esta web, solo hace falta concretar la pregunta correcta, la cual definirá cuales serán los proyectos de investigación que estaremos desarrollando para formar a nuestros usuarios. En este caso particular, la pregunta correcta debe ser lo suficientemente genérica de manera que nos permita abarcar la mayor cantidad de posibles proyectos de investigación, en los que se exponga el uso de la mayor cantidad de técnicas experimentales, técnicas de análisis, tecnologías, y conocimientos sobre las celdas solares fotovoltaicas. Ésto sin lugar a dudas, va a generar un problema de dispersión, porque la cantidad de posibles proyectos simplemente va a tender al infinito, lo cual es ridículo desde la perspectiva de la capacidad de trabajo que podemos tener como investigadores. Pero, la ventaja de este modelo es que nos va a permitir definir las técnicas estructurales básicas que se requieren y que pueden ser aplicadas en casi cualquier proyecto de investigación relacionado con las celdas solares fotovoltaicas. Pues, el objetivo de este ejercicio no es responder explícitamente a nuestra pregunta correcta, si no utilizarla como modelo para formar a esas personas que desean realizar investigación en celdas solares fotovoltaicas.

Y aquí la pregunta que da inicio a nuestra odisea: ¿Qué nuevos materiales debemos utilizar para crear la celda solar fotovoltaica más eficiente posible?


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