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Células solares de película fina eficientes
Investigadores del MIT han presentado un nuevo tipo de célula solar de silicio que podría ser mucho más eficiente y costar menos que las células solares que se utilizan actualmente. Profesor de ciencia e ingeniería de materiales Lionel Kimerling y sus colegas presentaron los resultados del primer prototipo de dispositivo en una reunión reciente de la Materials Research Society en Boston.
Atrapador de luz: una imagen de microscopía electrónica de transmisión (TEM) muestra la superficie posterior de una celda solar de silicio de cinco micrómetros de espesor. Las capas alternas de silicio y dióxido de silicio forman un excelente reflector de luz. Las crestas y valles envían la luz reflejada al silicio en un ángulo bajo que lo mantiene atrapado dentro del silicio durante mucho tiempo, aumentando la eficiencia de la celda.
El diseño combina un reflector altamente efectivo en la parte posterior de una celda solar con un revestimiento antirreflectante en la parte frontal. Esto ayuda a atrapar la luz roja y del infrarrojo cercano, que se puede utilizar para producir electricidad, en el silicio. El equipo de investigación está otorgando licencias de tecnología similar para StarSolar , una startup en Cambridge, MA.
Los investigadores aplicaron su esquema de captura de luz en células delgadas de silicio que tienen aproximadamente cinco micrómetros de espesor. Su prototipo de celda solar es un 15 por ciento más eficiente para convertir la luz en electricidad que las celdas solares comerciales de película delgada. Líder del proyecto Peter Bermel , quien es el director de tecnología de StarSolar, dice que las sofisticadas simulaciones por computadora sugieren que son posibles ganancias mucho mayores en eficiencia.
Las células solares de silicio de película delgada podrían ser más baratas que los dispositivos convencionales porque utilizan mucho menos material. Las células solares convencionales utilizan obleas de silicio de más de 100 micrómetros de espesor, mientras que los dispositivos de película fina tienen espesores de unos pocos micrómetros. Pero los dispositivos de película delgada tienen una menor eficiencia. Esto se debe principalmente a los fotones rojos y del infrarrojo cercano, que no permanecen atrapados dentro del silicio delgado el tiempo suficiente para ser absorbidos.
Las células solares de hoy están respaldadas por una capa de metal, generalmente de aluminio, para reflejar la luz. Pero este esquema no funciona muy bien, y de la luz dentro de la celda solar de silicio, el treinta por ciento se pierde cada vez que rebota en el metal.
En lugar de usar un respaldo de metal, los investigadores del MIT diseñan la superficie posterior de una celda solar de silicio para que sea eficiente a la hora de reflejar y atrapar la luz. Primero, graban una serie de crestas y depresiones, llamadas rejillas. Encima de esto depositan un cristal fotónico, una estructura periódica compuesta por múltiples capas alternas de silicio y dióxido de silicio.
El cristal fotónico refleja la luz, mientras que la rejilla envía esta luz de regreso al silicio en un ángulo bajo. Esto mantiene la luz rebotando en el interior y evita que se escape. Cuanto más tiempo permanezca la luz, más probable será que se absorba y se convierta en electricidad.
Este trabajo demuestra la importancia de mejorar el rendimiento de las tecnologías de película delgada, dice Stephen Saylor, director ejecutivo de SiOnyx en Beverly, MA. SiOnyx está adoptando un enfoque diferente para aumentar la absorción de luz roja e infrarroja en dispositivos delgados de silicio. El material de silicio negro de la empresa tiene una superficie con rugosidad a nanoescala que le ayuda a absorber toda la luz visible e infrarroja. El potencial del material para las células solares aún no se ha demostrado.
Mientras tanto, en el Laboratorio Ames en Ames, IA, el físico Rana Biswas y sus colegas están utilizando cristales fotónicos para hacer que las células solares de silicio amorfo sean más eficientes. Su cristal fotónico está compuesto por una red de diminutos cilindros de silicio dentro de una capa de óxido de indio-estaño. Podría aumentar la eficiencia de las células solares en un máximo de un 15 por ciento. Pero sus células solares de silicio amorfo tienen solo 0,5 micrómetros de espesor, una décima parte del tamaño de los dispositivos del MIT. Generalmente, las células solares de película de silicio amorfa necesitan mucho menos material, por lo que el costo baja, dice Biswas. Además, podrían depositarse sobre plásticos. Eso es una gran ventaja.
Los investigadores del MIT tienen como objetivo fabricar células solares de silicio de película delgada que sean lo suficientemente buenas para competir con las células solares convencionales, dice Bermel. Al optimizar las estructuras de rejilla y cristal fotónico, los investigadores pudieron obtener la máxima eficiencia de las células solares, incrementándola al 13 por ciento. Eso sería comparable con las eficiencias del 13 al 15 por ciento de algunas células solares convencionales.
Las células solares están lejos de ser prácticas en este momento. Los investigadores utilizan una técnica costosa llamada litografía de interferencia para hacer la rejilla. Además, las capas alternas en el reflector se depositan una a una, lo que requiere mucho tiempo. Los investigadores necesitan encontrar una técnica de fabricación que les permita fabricar las células solares a gran escala y a bajo costo. La pregunta fundamental que debe responderse es la escalabilidad, dice Saylor. Para tener un impacto real, cualquier solución debe escalar de manera rentable a la producción en masa.
Bermel dice que su equipo ya está considerando otros métodos de producción. Una opción prometedora es la litografía por nanoimpresión, pero aún no la han probado. Un aumento del 35 por ciento en la eficiencia se predice claramente en las simulaciones, dice, pero el desafío es, '¿Puedes hacerlo de manera práctica?' En eso estamos trabajando.