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Capturando más luz con una sola celda solar
Las células solares más eficientes suelen tener varias capas de materiales semiconductores, cada una sintonizada para convertir diferentes colores de luz en electricidad. Investigadores en Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley ahora he fabricado un solo semiconductor que realiza casi el mismo trabajo. Más importante aún, hicieron el material utilizando una técnica de fabricación común, lo que sugiere que podría fabricarse de forma relativamente económica.
Célula prototipo: Esta pequeña celda solar cuenta con un material semiconductor diseñado para absorber más espectro solar.
Varios grupos de investigación están desarrollando materiales semiconductores que aprovechan más la energía de la luz solar, basándose en una idea que se remonta a 1960 para cambiar la forma en que los materiales semiconductores de las células solares interactúan con la luz. Pero los materiales utilizados en esa investigación tienden a ser muy difíciles de fabricar.
Queda mucho trabajo antes de que el material de laboratorio de Lawrence Berkeley pueda usarse en una celda solar práctica, pero en teoría podría convertir casi la mitad de la energía de la luz solar en electricidad, tres veces más que la mayoría de la energía solar de una sola capa (o unión simple). células. Una celda solar de este tipo también podría costar menos que las celdas solares en capas (o de múltiples uniones) que se necesitan actualmente para lograr altas eficiencias, ya que solo requeriría un material semiconductor.
En un material semiconductor convencional, se necesita una cierta cantidad de energía para liberar un electrón y generar electricidad. Los fotones que tienen menos energía, digamos, los fotones en la luz infrarroja, no generan electricidad. Y si un fotón tiene más del mínimo, por ejemplo, un fotón en luz ultravioleta energética, la energía extra se desperdicia en forma de calor.
El nuevo material semiconductor se basa en arseniuro de galio. Normalmente, este material requiere fotones de alta energía para generar electricidad. Pero los investigadores lo modificaron para que la energía de más de un fotón se use para liberar un electrón; la energía se suma hasta que se libera un electrón. Reemplazar algunos de los átomos de arsénico en el material con átomos de nitrógeno crea regiones que actúan como trampolines para los electrones que han absorbido algo de energía de fotones de baja energía, donde pueden esperar para recibir energía de más fotones, dice Wladek Walukiewicz , quien dirige el Grupo de Investigación de Materiales de Energía Solar en el laboratorio de Lawrence Berkeley, y también dirigió el proyecto.
El nuevo material convierte los fotones de alta energía en electricidad sin desperdiciar su energía en forma de calor, y también convierte los fotones de baja energía en electricidad, fotones que normalmente no serían absorbidos por el material.
Se logra un efecto similar en las células solares comerciales de unión múltiple, que se fabrican esencialmente apilando tres células solares una encima de la otra, cada una optimizada para un color de luz diferente. Pero combinar estas tres células solares es costoso y complejo, ya que cada capa debe coincidir estrechamente con las otras capas.
El prototipo de célula solar sigue siendo relativamente ineficaz. Parte del problema es que muchos de los electrones que han absorbido algo de energía de fotones de baja energía no retienen esa energía el tiempo suficiente para absorber energía de otro fotón. Estos electrones nunca salen del material y la energía se pierde en forma de calor. Los investigadores están trabajando con dos empresas, Rose Street Labs Energy y Sumika Electronic Materials, para solucionar este problema. Una opción, por ejemplo, es dopar el material con átomos de fósforo para cambiar sus propiedades eléctricas.
Eso será un desafío, dice Andrew Norman, un científico investigador en el Laboratorio Nacional de Energías Renovables . Norman también ha trabajado en este tipo de célula solar, aunque fabricada con materiales muy diferentes. Norman dice que el nuevo trabajo es interesante, particularmente por los altos niveles de voltaje que produce la celda, pero señala que ha resultado difícil comercializar este tipo de celda. Hay que preguntarse por qué, en 50 años, nadie ha tenido éxito, dice.