Intensificando el sol

En su oscuro laboratorio del MIT, Marc Baldo ilumina una lámpara ultravioleta en un cuadrado de vidrio de 10 centímetros. Ha revestido las superficies del vidrio con tintes que brillan tenuemente de color naranja bajo la luz. Sin embargo, los bordes sin recubrimiento del vidrio brillan con más intensidad: cuatro tiras delgadas y limpias de naranja luminiscente.

Marc Baldo posa con una colección de láminas de vidrio recubiertas con tintes orgánicos emisores de luz. Los tintes absorben la luz y la transmiten al vidrio, que la canaliza hacia los bordes de las láminas. Baldo utiliza los dispositivos para concentrar la luz solar, lo que abarata la energía solar.

La hoja de vidrio es un nuevo tipo de concentrador solar, un dispositivo que recolecta luz difusa y la enfoca en una celda solar relativamente pequeña. Las células solares, dispositivos electrónicos de varias capas hechos de silicio altamente refinado, son costosos de fabricar y cuanto más grandes son, más cuestan. Los concentradores solares pueden reducir el costo total de la energía solar al hacer posible el uso de celdas mucho más pequeñas. Pero los concentradores suelen estar hechos de espejos o lentes curvos, que son voluminosos y requieren costosos sistemas mecánicos que les ayuden a rastrear el sol.

Esta historia fue parte de nuestro número de septiembre de 2008

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A diferencia de los espejos y lentes de los concentradores solares convencionales, las láminas de vidrio de Baldo actúan como guías de ondas, canalizando la luz de la misma manera que los cables de fibra óptica transmiten señales ópticas a largas distancias. Los tintes que recubren las superficies del vidrio absorben la luz solar; Se pueden usar diferentes tintes para absorber diferentes longitudes de onda de luz. Luego, los tintes devuelven la luz al vidrio, que la canaliza hacia los bordes. Las tiras de células solares unidas a los bordes absorben la luz y generan electricidad. Cuanto mayor es la superficie del vidrio en comparación con el grosor de los bordes, más se concentra la luz y, hasta cierto punto, menor es el costo de energía.

Baldo, profesor asociado de ingeniería eléctrica, publicó sus hallazgos recientemente en Ciencias . Sobre su base, proyecta que sus concentradores solares podrían ser lo suficientemente grandes para que la electricidad que ayudan a generar compita con la electricidad a partir de combustibles fósiles. De hecho, dice Baldo, los paneles equipados con los concentradores podrían ser la tecnología solar más barata.

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• Vea cómo funciona el concentrador solar.

Ingrediente secreto
El proceso para fabricar los concentradores solares de Baldo comienza en el pasillo de otro laboratorio. Un investigador postdoctoral, Shalom Goffri, toma varias botellas llenas de colorantes en polvo de un armario y mide los polvos en pequeños frascos. Algunos de los tintes se desarrollaron para su uso en pinturas para automóviles; otros se han utilizado en diodos emisores de luz orgánicos. Ambos tipos de tintes pueden durar años al sol, una cualidad fundamental para los concentradores solares. Una vez que ha medido los polvos, Goffri agrega un solvente a cada uno para hacer una tinta líquida.

Los siguientes pasos se llevan a cabo dentro de una caja sellada, de modo que Goffri no inhale los solventes usados ​​para hacer el tinte. Él mete la mano en la caja, usando gruesos guantes negros montados en su frente de vidrio, y mezcla cuidadosamente diferentes tintas. Determinar la combinación correcta de tintas resolvió un problema fundamental que los investigadores han encontrado con este tipo de concentrador solar. Si la hoja de vidrio está cubierta con un tinte que absorbe la luz solar en, digamos, el rango de verde a azul del espectro solar y emite luz de la misma longitud de onda, la luz emitida será rápidamente reabsorbida por el tinte, y una pequeña parte de ella. llegará alguna vez al borde del vaso. El problema ha limitado el tamaño de estos concentradores solares, ya que cuanto más lejos necesite viajar la luz hacia los bordes, menos luz llegará.

Mediante el uso de ciertas combinaciones de tintes intercalados con otras moléculas absorbentes de luz, Baldo crea recubrimientos que absorben un color pero emiten otro. La luz emitida no es reabsorbida rápidamente por los revestimientos, por lo que llega más a los bordes de la hoja de vidrio.

Los recubrimientos que está haciendo Goffri absorben los rayos ultravioleta a través de la luz verde y emiten luz naranja. Una vez que Goffri ha preparado la mezcla final, vierte una pequeña cantidad en un cuadrado de vidrio de 10 centímetros de ancho, el más grande que puede caber dentro de un dispositivo que hace girar el vidrio a 2000 revoluciones por minuto para esparcir la tinta de manera uniforme. En uno o dos minutos, el disolvente se ha evaporado y el proceso ha finalizado. El concentrador solar, con su capa de tinte naranja, está completo.

El Prototipo
Para generar electricidad, Goffri conecta el concentrador solar a las células solares. Está fabricando lo que se llama un módulo solar en tándem, un tipo de panel solar que utiliza dos tipos diferentes de células para capturar más energía de la luz solar de lo que podría hacerlo un solo tipo. Las diferentes longitudes de onda de la luz solar tienen diferentes cantidades de energía; la luz ultravioleta tiene más y la infrarroja menos. Las células solares están optimizadas para colores particulares. Uno diseñado para convertir la luz infrarroja en electricidad, por ejemplo, convertirá la mayor parte de la energía de la luz azul en calor residual. Asimismo, la luz roja pasará a través de una celda solar optimizada para luz azul de alta energía sin ser absorbida. Idealmente, las células solares para diferentes longitudes de onda se usarían en combinación para recolectar la mayor cantidad de luz solar, pero este enfoque a menudo es demasiado costoso para ser práctico.

Los concentradores de Baldo ofrecen una forma económica de combinar células solares optimizadas para diferentes longitudes de onda de luz: se pueden combinar revestimientos de diferentes colores con diferentes tipos de células solares en el mismo dispositivo. Para hacer un prototipo, Goffri toma un tipo de celda solar que se adapta bien a los colores de alta energía y lo pega al interior de un marco de plástico; luego desliza el concentrador en el marco para que sus bordes se alineen con las celdas. El concentrador captura luz ultravioleta, azul y verde y emite luz naranja que las células convierten en electricidad. La luz de menor energía, desde el extremo rojo e infrarrojo del espectro, pasa a través del concentrador solar a la siguiente capa. En el prototipo, la siguiente capa es una celda solar de silicio convencional de tamaño completo que no está emparejada con un concentrador solar.

El prototipo, dice Baldo, puede convertir casi el doble de energía de la luz solar en electricidad que una celda convencional, siempre que el concentrador tenga aproximadamente 30 centímetros cuadrados. Esto se traduce en una disminución del 30 por ciento en el costo de la electricidad solar.

En el futuro, los ahorros de costos pueden ser mucho mayores, cree Baldo. No usa un concentrador para la luz infrarroja porque, hasta ahora, no existen buenos tintes para capturar esas longitudes de onda. Pero confía en que se puedan desarrollar tales tintes. Cuando eso suceda, podrá agregar un segundo concentrador, por un pequeño costo adicional, y reemplazar la celda solar de silicio de tamaño completo con celdas más pequeñas y baratas unidas a los bordes de los concentradores. Si el costo de la energía fotovoltaica cae en los próximos años, como se esperaba, esta configuración podría hacer que la energía solar sea tan barata como la electricidad a partir del carbón, dice.

Hay más trabajo por hacer en el laboratorio, como mejorar la gama de colores que pueden absorber los concentradores, lo que permitirá adaptarlos a segmentos específicos del espectro. Pero Baldo dice que es hora de comenzar a trasladar la tecnología del laboratorio al mercado. Él y sus colegas han fundado una empresa llamada Covalent Solar, que está empezando a recaudar fondos. La compañía, con sede en Cambridge, MA, planea tener sus primeros productos, probablemente módulos solares en tándem, disponibles dentro de tres años.

Kevin Bullis es Revisión de tecnología Editor de energía.

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