Cómo aprovechar la energía del sol a través del calor y la luz

Un nuevo enfoque para recolectar energía solar, desarrollado por investigadores del MIT, podría mejorar la eficiencia utilizando la luz solar para calentar un material de alta temperatura cuya radiación infrarroja sería luego recolectada por una celda fotovoltaica convencional. Esta técnica también podría facilitar el almacenamiento de energía para su uso posterior, dicen los investigadores.

Dispositivo termofotovoltaico solar nanofotónico compuesto por una serie de nanotubos de carbono de paredes múltiples como absorbente, un cristal fotónico de silicio / dióxido de silicio unidimensional como emisor y una celda fotovoltaica de 0,55 eV. Foto cortesía de John Freidah.

En este caso, agregar el paso adicional mejora el rendimiento, porque permite aprovechar las longitudes de onda de la luz que normalmente se desperdician. El proceso se describe en un artículo publicado esta semana en la revista Nanotecnología de la naturaleza , escrito por el estudiante de posgrado Andrej Lenert, la profesora asociada de ingeniería mecánica Evelyn Wang, la profesora de física Marin Soljačić, el científico investigador principal Ivan Celanović y otros tres.

Una célula solar convencional basada en silicio no aprovecha todos los fotones, explica Wang. Eso es porque convertir la energía de un fotón en electricidad requiere que el nivel de energía del fotón coincida con el de una característica del material fotovoltaico (PV) llamado banda prohibida. La banda prohibida del silicio responde a muchas longitudes de onda de luz, pero pasa por alto muchas otras.

Para abordar esa limitación, el equipo insertó un dispositivo absorbente-emisor de dos capas, hecho de materiales novedosos que incluyen nanotubos de carbono y cristales fotónicos, entre la luz solar y la célula fotovoltaica. Este material intermedio recoge energía de un amplio espectro de luz solar y se calienta en el proceso. Cuando se calienta, como con un trozo de hierro que brilla al rojo vivo, emite luz de una longitud de onda particular, que en este caso se sintoniza para que coincida con la banda prohibida de la celda fotovoltaica montada cerca.

Este concepto básico se ha explorado durante varios años, ya que, en teoría, tales sistemas termo-fotovoltaicos solares (STPV) podrían proporcionar una forma de eludir un límite teórico en la eficiencia de conversión de energía de los dispositivos fotovoltaicos basados ​​en semiconductores. Ese límite, llamado límite de Shockley-Queisser, impone un límite del 33,7 por ciento a dicha eficiencia, pero Wang dice que con los sistemas TPV, la eficiencia sería significativamente mayor, idealmente podría superar el 80 por ciento.

Ha habido muchos obstáculos prácticos para realizar ese potencial; los experimentos anteriores no han podido producir un dispositivo STPV con una eficiencia superior al 1 por ciento. Pero Lenert, Wang y su equipo ya han producido un dispositivo de prueba inicial con una eficiencia medida del 3.2 por ciento, y dicen que con más trabajo esperan poder alcanzar el 20 por ciento de eficiencia, lo suficiente, dicen, para un producto comercialmente viable. .

El diseño del material absorbente-emisor de dos capas es clave para esta mejora. Su capa exterior, frente a la luz del sol, es una serie de nanotubos de carbono de paredes múltiples, que absorbe de manera muy eficiente la energía de la luz y la convierte en calor. Esta capa está unida firmemente a una capa de un cristal fotónico, que está diseñado con precisión para que cuando es calentado por la capa adjunta de nanotubos, brille con luz cuya intensidad máxima está mayormente por encima de la banda prohibida del PV adyacente, asegurando que la mayoría de la energía recogida por el absorbedor se convierte en electricidad.

En sus experimentos, los investigadores utilizaron luz solar simulada y encontraron que su eficiencia máxima se produjo cuando su intensidad era equivalente a un sistema de enfoque que concentra la luz solar en un factor de 750. Esta luz calentó el absorbedor-emisor a una temperatura de 962 grados Celsius.

Este nivel de concentración ya es mucho más bajo que en intentos anteriores de sistemas STPV, que concentraban la luz solar en un factor de varios miles. Pero los investigadores del MIT dicen que después de una mayor optimización, debería ser posible obtener el mismo tipo de mejora con concentraciones de luz solar aún más bajas, lo que hace que los sistemas sean más fáciles de operar.

Tal sistema, dice el equipo, combina las ventajas de los sistemas solares fotovoltaicos, que convierten la luz solar directamente en electricidad, y los sistemas solares térmicos, que pueden tener una ventaja para el uso retardado porque el calor se puede almacenar más fácilmente que la electricidad. Los nuevos sistemas termofotovoltaicos solares, dicen, podrían proporcionar eficiencia debido a su absorción de banda ancha de la luz solar; escalabilidad y compacidad, porque se basan en la tecnología de fabricación de chips existente; y facilidad de almacenamiento de energía, debido a su dependencia del calor.

Algunas de las formas de mejorar aún más el sistema son bastante sencillas. Dado que la etapa intermedia del sistema, el absorbedor-emisor, depende de las altas temperaturas, su tamaño es crucial: cuanto más grande es un objeto, menor área de superficie tiene en relación con su volumen, por lo que las pérdidas de calor disminuyen rápidamente al aumentar el tamaño. Las pruebas iniciales se realizaron en un chip de 1 centímetro, pero las pruebas de seguimiento se realizarán con un chip de 10 centímetros, dicen.

Zhuomin Zhang, profesor de ingeniería mecánica en el Instituto de Tecnología de Georgia que no participó en esta investigación, dice: Este trabajo es un gran avance en la termofotovoltaica solar, que en principio puede lograr una mayor eficiencia que las células solares convencionales porque STPV puede aprovechar todo el espectro solar. … Este logro allana el camino para aumentar rápidamente la eficiencia de STPV.

El equipo de investigación también incluyó a los estudiantes graduados del MIT David Bierman y Walker Chan, el ex postdoctorado Youngsuk Nam y el científico investigador Ivan Celanović. El trabajo fue financiado por el Departamento de Energía de EE. UU. A través del Centro de Conversión de Energía Solar Térmica Solar de Estado Sólido (S3TEC) del MIT, así como por la Martin Family Society, la MIT Energy Initiative y la National Science Foundation.

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