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Envolviendo células solares alrededor de una fibra óptica
Las células solares sensibilizadas por colorante son flexibles y baratas de fabricar, pero tienden a ser ineficaces para convertir la luz en electricidad. Una forma de mejorar el rendimiento de cualquier célula solar es aumentar el área de superficie disponible para la luz entrante. Entonces, un grupo de investigadores de Georgia Tech ha creado células solares sensibilizadas con colorante con un área de superficie efectiva mucho mayor envolviendo las células alrededor de fibras ópticas. Estas células solares de fibra son seis veces más eficientes que una célula solar de óxido de zinc con la misma superficie, y si se pueden construir con fibras de polímero baratas, no deberían ser significativamente más caras de fabricar.
Solar sobre fibra : Una fibra óptica (izquierda) está cubierta con nanocables de óxido de zinc recubiertos de tinte (primer plano, derecha). Ambas imágenes se obtuvieron utilizando un microscopio electrónico de barrido.
La ventaja de un sistema de celdas solares de fibra óptica sobre uno plano es que la luz rebota dentro de una fibra óptica a medida que viaja a lo largo de su longitud, lo que brinda más oportunidades para interactuar con la celda solar en su superficie interna y produce más corriente. Para una propiedad inmobiliaria determinada, el área total de la celda es mayor, y una mayor superficie significa una mejor recolección de luz y más energía, dice Max Shtein , profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Michigan que no participó en la investigación.
Las células solares de fibra óptica también podrían usarse de formas que no son posibles actualmente. Zhong Lin Wang , profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Georgia Tech, dice que las celdas solares de fibra ocuparían menos área del techo que las celdas planas porque grandes longitudes de las fibras podrían colocarse en las paredes de una casa como cableado eléctrico.
Las células solares sensibilizadas con colorante utilizan moléculas de colorante para absorber la luz y generar electrones. El grupo de Georgia Tech primero quita el revestimiento de las fibras ópticas y luego hace crecer nanocables de óxido de zinc a lo largo de su superficie, como cerdas en un limpiapipas. A continuación, las fibras se tratan con moléculas de tinte, que absorben las estructuras de óxido de zinc. La ventaja de recubrir nanocables, en lugar de una superficie lisa, con el tinte es que los cables colectivamente tienen una superficie muy grande. Cuantas más moléculas de tinte haya en un área determinada de dicha célula, más luz puede absorber, dice Wang. Las fibras recubiertas de tinte luego se rodean por un electrolito y una película de metal que transporta electrones fuera del dispositivo. El trabajo se describe en línea en la revista. Edición internacional de Angewandte Chemie .
La pregunta es, ¿se puede absorber toda la luz con una pequeña cantidad de materiales? dice Yi Cui , profesor asistente de ciencia de los materiales en la Universidad de Stanford. La construcción de una celda nanoestructurada en una fibra óptica proporciona una forma de hacerlo al aumentar tanto el área de superficie cubierta por el tinte como la longitud de trayectoria efectiva de la luz, dice. Cuanto más tiempo viaja un fotón a través de una célula solar, más oportunidades tiene de interactuar y generar un electrón.
Un posible obstáculo para las células de fibra es, en primer lugar, recibir suficiente luz en su interior. Los dispositivos de Wang solo recolectan luz en sus puntas, por lo que para obtener suficiente luz en una celda solar de este tipo sin tener que rastrear el sol, se pueden agrupar fibras más pequeñas. Cui dice que las puntas de las fibras podrían estar hechas de materiales que son muy efectivos para dirigir la luz hacia la fibra. Otra forma de superar este problema es construir células de fibra que puedan absorber la luz en toda su longitud, no solo en las puntas, en lo que está trabajando Shtein de Michigan. Esto es complicado, porque significa que los revestimientos de las celdas deben ser tanto eléctricamente conductores como transparentes, una combinación inusual.
Sin embargo, Shtein dice que las fibras que absorben la luz de los lados ofrecen una arquitectura interesante para la captura de luz, porque puedes distribuir las fibras en el espacio de una manera que te ayuda a capturar más fotones de manera más efectiva que en un dispositivo plano. Cuanto menor sea el ángulo en el que la luz incide en una celda plana, más luz se refleja en su superficie. Pero la luz que se refleja en la superficie curva de una fibra en un ángulo poco profundo incidirá en una fibra adyacente. Estas células podrían diseñarse para que no sea necesario instalarlas con sistemas de seguimiento solar, y funcionarían en días nublados cuando la luz es difusa, dice Shtein.
Wang dice que el siguiente paso es probar diferentes materiales. Hasta ahora, ha construido las células con fibras ópticas de cuarzo, que son relativamente caras. A continuación, planea intentar fabricar las células utilizando fibras poliméricas más baratas.