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Las micro células solares manejan una luz solar más intensa
Una empresa de nueva creación espera reducir el costo de generar energía con luz solar concentrada mediante el uso de células solares a microescala que pueden utilizar el doble de luz que otros paneles, sin la necesidad de sistemas ópticos o de refrigeración costosos. Paneles hechos de celdas diminutas, que la empresa con sede en Durham, Carolina del Norte Siempre desarrollados utilizando una novedosa tecnología de microimpresión, también ofrecen importantes ahorros en costos de materiales. A finales de enero, la empresa anunció un acuerdo conjunto con Siemens para desarrollar sistemas de demostración basados en su tecnología. Semprius planea comenzar la producción en volumen de los módulos en 2013.
Microcelda: Las células solares fabricadas por Semprius tienen 600 micrómetros de cada lado y se pueden combinar con ópticas de alta potencia. La celda en sí (el cuadrado negro en el centro) está montada sobre una base de cerámica con contactos eléctricos en cada lado.
Agregar lentes de concentración a los paneles solares aumenta la cantidad de electricidad que pueden producir. Pero los concentradores fotovoltaicos añaden una gran cantidad de gastos a una instalación solar. Los propios sistemas ópticos son caros y voluminosos: cuanto más grande es una celda, más grande debe ser su lente emparejada. Una luz más intensa también significa que se debe disipar más calor que degrada el rendimiento utilizando disipadores de calor o ventiladores. Aunque el costo se compensa en parte con la eficiencia de la energía fotovoltaica de alta concentración, limita la potencia potencial de dichos sistemas concentradores. Los dos principales proveedores de módulos solares concentrados, Amonix y Emcore , ambos venden sistemas basados en celdas de tamaño convencional que operan bajo una concentración de luz solar 500 veces mayor con costosos sistemas de enfriamiento.
Los módulos solares de Semprius contienen conjuntos de celdas cuadradas que miden solo 600 micrómetros en cada lado. Estas células tienen tres capas semiconductoras, cada una de las cuales se basa en arseniuro de galio y absorbe una banda diferente de luz solar, y se fabrican mediante una combinación de grabado químico e impresión, lo que significa que se desperdician menos materias primas. Pueden operar bajo la luz solar concentrada 1000 veces usando sistemas ópticos baratos. Según los Laboratorios Nacionales de Energía Renovable, la eficiencia de los módulos resultantes oscila entre el 25 y el 35 por ciento y pueden proporcionar electricidad por alrededor de 10 centavos el kilovatio hora. La compañía espera que los costos finales, incluida la instalación, sean de $ 2 a $ 3 por vatio.
El año pasado, un estudio realizado por investigadores de Laboratorios Nacionales Sandia en Albuquerque, Nuevo México, sugirió que las células solares a microescala podrían ofrecer varias ventajas de costo y diseño. Reduce la cantidad de semiconductores que necesita, por lo que puede haber un gran ahorro de costos, dice Gregory Nielson, científico jefe del proyecto Sandia. Y puede hacer cosas con la óptica que no puede hacer con celdas más grandes.
Las células solares más pequeñas son más eficientes para disipar el calor. Cuando las células están por debajo de un milímetro, rechazan el calor de manera tan eficiente que estarán tan frías como un panel de un sol, sin la necesidad de ningún sistema de enfriamiento, dice Nielson. Esto se debe a que las celdas diminutas tienen un porcentaje mucho mayor del área total asignada a los bordes que difunden el calor.
Concentrado solar: Esta matriz de lentes solares concentra la luz en células solares a microescala en su interior.
La clave para hacer las células de Semprius es un proceso de impresión desarrollado por investigadores dirigidos por John Rogers , profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
Las células solares se fabrican típicamente formando capas activas en la superficie de una oblea semiconductora y luego cortando la oblea en pedazos. El proceso de impresión de Semprius comienza tratando las obleas de la misma manera. Pero en lugar de aserrar, la empresa utiliza grabado químico para marcar la superficie de una oblea en células a microescala, dejándolas unidas a la superficie de la oblea mediante una pequeña pestaña. La clave para el paso de grabado es agregar una capa de sacrificio cuando se tratan las obleas. El grabador químico devora solo esta capa, escindiendo las células de la superficie. Luego, un robot que lleva un sello de polímero se mueve sobre la oblea, levanta las celdas y las coloca sobre una serie de soportes de cerámica impresos con contactos eléctricos. El proceso utiliza solo una capa delgada de la superficie de la oblea, que puede enviarse de regreso a la fundición para ser reutilizada. Cada oblea de cuatro pulgadas se puede utilizar para producir 36.000 células.
Luego, cada celda se remata con una pequeña lente esférica. Normalmente hay un gran punto caliente en el centro de la celda, pero la lente esférica distribuye la luz de manera uniforme, dice Joseph Carr, director ejecutivo de Semprius. Estos lentes capturan la luz del sol desde un ángulo amplio. Finalmente, las celdas con la parte superior de la lente se agrupan en matrices de 14 pulgadas, que están cubiertas con lentes de silicona que dirigen la luz del sol sobre las lentes esféricas más pequeñas. Juntos, el sistema óptico concentra la luz del sol 1.000 veces. Estas matrices se apilan en un rastreador de luz para hacer un módulo solar de 18 por 8 pies.
Semprius planea licenciar su tecnología de impresión para permitir la producción en volumen de los módulos para 2013. La compañía planea desarrollar sistemas de control de seguimiento solar con Siemens y seguir desarrollando su tecnología de microimpresión, que es compatible con una gama de materiales semiconductores, incluido el silicio. .