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Células solares de origami
Una forma de exprimir más energía de la luz solar es asegurarse de que siempre golpee un panel solar en el ángulo ideal. Esto significa seguir el sol y maniobrar un panel para enfrentarlo, o usar ópticas complejas para redirigir los rayos del sol y golpear la superficie del panel desde arriba.
Silicona plegable: En estas imágenes, tres finas películas de silicio se pliegan en formas tridimensionales bajo la fuerza de la tensión superficial a medida que las gotas de agua colocadas en sus centros se evaporan. La fila superior muestra el primer paso, cuando las gotas de agua son grandes, y las imágenes debajo muestran una progresión en el tiempo a medida que las gotas de agua se encogen.
Investigadores de la Universidad de Illinois han desarrollado células solares esféricas autoensambladas capaces de capturar más luz solar que las planas. La forma es una forma más sencilla de aprovechar más los rayos del sol, pero ha sido difícil de realizar en una célula solar. Estas nuevas células solares a microescala se fabrican mediante litografía convencional combinada con autoensamblaje. Si resultan prácticos, los dispositivos podrían conectarse en grandes matrices que tengan la misma potencia de salida que las celdas convencionales, pero que ahorren en costos de materiales al usar menos silicio.
En lugar de una gran losa de semiconductor equipada con lentes de concentración y motores para moverla, queremos hacer celdas compactas que aún tengan una salida de potencia significativa, dice Ralph Nuzzo , profesor de química en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
Las superficies curvas capturan más luz que las planas porque tienen una mayor superficie. Pero hacer células solares curvas o esféricas es un desafío, dice Nuzzo, porque las técnicas utilizadas para procesar materiales semiconductores como el silicio funcionan mejor en superficies planas. El grupo de Nuzzo ha superado este problema creando estructuras tridimensionales a microescala que se autoensamblan a partir de láminas planas.
Los investigadores de Illinois comienzan por tratar la superficie de una oblea de silicio delgada y de alta calidad y utilizan la litografía convencional para grabar una forma bidimensional delgada. Para hacer una esfera, los investigadores cortaron el silicio en forma de flor. Luego usan un adhesivo para asegurar un pequeño trozo de vidrio en el interior. El vidrio ayuda a que la estructura mantenga su forma una vez ensamblada. Finalmente, a medida que una gota de agua colocada en el centro de la forma de la flor se evapora, la tensión superficial tira de sus pétalos hacia arriba y finalmente los une para formar una esfera.
El desafío en esto es, ¿cómo hacer que las cosas sigan la secuencia necesaria de pasos para doblarse en la forma deseada? dice Nuzzo. El grupo de Illinois ideó modelos matemáticos para ayudar a predecir las propiedades mecánicas de las láminas de silicio de diferentes formas y espesores, así como cómo interactúan con el agua, que se puede ajustar mediante el tratamiento químico de sus superficies.
El grupo de Nuzzo utilizó las técnicas para fabricar células solares esféricas microscópicas en funcionamiento, como prueba de la funcionalidad de lo que él llama materiales origami. Antes de cortar el silicio en forma de pétalo, el equipo lo trató para formar las regiones conductoras que hacen que funcione una célula solar. Después de que la flor se dobló en una esfera, se agregaron contactos eléctricos. El grupo también utilizó una técnica similar para fabricar microcélulas solares cilíndricas.
Estos dispositivos convierten solo alrededor del 1 por ciento de la luz que los recibe en electricidad, un rendimiento pobre para una celda solar, pero esto es mejor que una celda solar plana fabricada con las mismas técnicas relativamente rudimentarias que utilizan la misma cantidad de silicio. Los investigadores dicen que la técnica se puede aplicar a otros materiales además del silicio y se podría utilizar para fabricar nuevas formas de células solares. El trabajo se describe en línea esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .
Doblar es muy atractivo porque puede hacer formas tridimensionales fantásticas y complicadas, dice George Barbastathis , profesor de ingeniería mecánica en el MIT.
Hay otras formas de mejorar la capacidad de las células solares para capturar la luz, como los recubrimientos antirreflectantes y la textura de la superficie. La principal ventaja del nuevo enfoque es que requiere menos material, dice Nuzzo. Las células solares planas de solo unos pocos micrómetros de espesor no se pueden texturizar, simplemente no hay suficiente material. Y los recubrimientos antirreflectantes añaden más costos de fabricación y complejidad. El autoensamblaje, espera Nuzzo, podría ofrecer una alternativa.
El grupo de Illinois ahora trabajará para mejorar el proceso y realizar diseños que mejoren aún más la gestión de la luz de las celdas. Queremos presentar factores de forma que se basan en materiales de alto rendimiento como el silicio, pero que proporcionan una economía sustancial al utilizar la menor cantidad posible de estos materiales costosos, dice Nuzzo.