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Los electrones calientes podrían duplicar la energía solar
Durante décadas, los investigadores han investigado un medio teórico para duplicar la producción de energía de las células solares, haciendo uso de los llamados electrones calientes. Ahora, los investigadores del Boston College han proporcionado nueva evidencia experimental de que la teoría funcionará. Construyeron células solares que reciben un impulso de energía de fotones de alta energía. Este impulso, dicen los investigadores, es el resultado de la extracción de electrones calientes.
Solar caliente: esta celda solar está hecha de capas delgadas de silicio amorfo con puntos de aluminio que sirven como contactos eléctricos traseros. Proporciona evidencia de que es posible duplicar la producción de las células solares.
Los resultados son un paso hacia las células solares que rompen los límites de eficiencia convencionales. Debido a la forma en que funcionan las células solares ordinarias, en teoría pueden convertir como máximo alrededor del 35 por ciento de la energía de la luz solar en electricidad, desperdiciando el resto en forma de calor. Hacer uso de electrones calientes podría resultar en eficiencias de hasta el 67 por ciento, dice Matthew Beard , científico principal del Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Golden, CO, que no participó en el trabajo actual. Duplicar la eficiencia de las células solares podría reducir el costo de la energía solar a la mitad.
Las células solares convencionales solo pueden convertir de manera eficiente la energía de ciertas longitudes de onda de luz en electricidad. Por ejemplo, cuando una célula solar optimizada para longitudes de onda de luz roja absorbe fotones de luz roja, produce electrones con niveles de energía similares a los de los fotones entrantes. Cuando la célula absorbe un fotón azul de mayor energía, primero produce un electrón de alta energía similar, un electrón caliente. Pero esto pierde gran parte de su energía muy rápidamente en forma de calor antes de que pueda escapar de la célula para producir electricidad. (Por el contrario, las células optimizadas para la luz azul no convierten la luz roja en electricidad, por lo que sacrifican la energía en esta parte del espectro).
Los investigadores del Boston College fabricaron células solares ultradelgadas de solo 15 nanómetros de espesor. Debido a que las células eran tan delgadas, los electrones calientes podían extraerse de la célula rápidamente, antes de que se enfriaran. Los investigadores encontraron que la salida de voltaje de las células aumentaba cuando las iluminaban con luz azul en lugar de roja. Ahora estamos sacando los electrones de la luz azul antes de que pierdan todo su exceso de energía, dice Michael Naughton , profesor de física en Boston College.
El problema es que debido a que son tan delgadas, las células solares dejan pasar la mayor parte de la luz entrante a través de ellas. Como resultado, convierten solo el 3 por ciento de la energía de la luz entrante en electricidad. Creo que es prometedor, dice Beard. Pero agrega que hasta ahora solo están mostrando un efecto bastante pequeño.
Naughton dice que su equipo planea abordar este problema utilizando nanocables. La idea básica, presentada ahora por muchos investigadores diferentes, es hacer bosques de nanocables que absorban la luz a lo largo de su longitud. Y debido a que cada nanoalambre es delgado, los electrones no tendrán que viajar muy lejos para escapar a una capa conductora en su superficie. Esto podría hacer posible replicar el efecto de electrones calientes que se observa en las delgadas células solares. Naughton y sus colegas están comercializando estos nanocables a través de una startup llamada Solasta , con sede en Newton, MA, que está siendo financiado por la respetada firma de capital de riesgo Kleiner Perkins Caufield y Byers .
Los investigadores también esperan aumentar la cantidad de electrones calientes que recolectan de la luz absorbida. Para hacer esto, están recurriendo a un enfoque adoptado por Martin Green , profesor de la Universidad de Nueva Gales del Sur en Australia y líder en el uso de electrones calientes en células solares. Este método implica incorporar una capa de puntos cuánticos, que actúan como una especie de filtro, extrayendo selectivamente electrones de voltaje más alto de lo normal, dice Beard. Naughton dice que Solasta ya ha demostrado que es posible incorporar tales puntos cuánticos en los nanocables de la empresa.