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Los 'tubos de luz' aumentan la eficiencia solar orgánica
Investigadores de Carolina del Norte han desarrollado una forma de duplicar con creces el rendimiento de las células solares orgánicas al agregar una capa de fibras ópticas verticales que actúan como trampas de luz solar.
Bosque de fibras: Este prototipo de panel solar está cubierto con fibras ópticas. Los fotones rebotan dentro de las fibras antes de ser absorbidos, y esto duplica la eficiencia del panel en comparación con las células orgánicas normales.
David Carroll , profesor de física en la Universidad de Wake Forest, dirigió el desarrollo de un prototipo de célula solar que incorpora las fibras. Es el científico jefe de una empresa derivada llamada FiberCell que está desarrollando un proceso de fabricación de carrete a carrete para producir las células. Estamos a punto de tener demostradores que puedan convencer a alguien de que entre en producción con esto, dijo. Carroll .
Las mejores células solares orgánicas de la actualidad tienen una eficiencia de casi el 8 por ciento, aunque se están realizando esfuerzos para desarrollar químicas orgánicas que impulsarían la eficiencia de dichas células por encima del 10 por ciento. Pero Carroll dice que las químicas mejoradas por sí solas no serán suficientes para alcanzar el rendimiento de las células de silicio. La respuesta no está en la química, sino en la arquitectura de la propia célula, dice. Carroll agrega que el costo en dólares por vatio de fabricar células orgánicas a base de fibra debería ser aproximadamente el mismo que el de las células orgánicas planas. Pero se pueden producir en una fábrica que cuesta una décima parte del de una fundición de silicio, dice. Esto las haría mucho más baratas de producir que las células de silicio.
El problema con las células planas estándar, ya sea que estén hechas de un material orgánico o inorgánico, es que se pierde algo de luz solar por reflejo. Para reducir este efecto, los fabricantes de células aplican revestimientos antirreflectantes o graban la superficie de la célula para aumentar la absorción de fotones. El equipo de Carroll ha adoptado un enfoque más espectacular al estampar fibras ópticas en un sustrato de polímero que forma la base de la celda.
Las fibras, a las que Carroll se refiere como tubos ligeros, sobresalen de la superficie como rastrojos toscos. Están rodeadas de delgadas células solares orgánicas aplicadas mediante un proceso de recubrimiento por inmersión, y también se rocía sobre la célula un tinte o polímero que absorbe la luz. La luz puede entrar en la punta de una fibra en cualquier ángulo. Luego, los fotones rebotan dentro de la fibra hasta que son absorbidos por la célula orgánica circundante.
Los investigadores probaron una celda de fibra de vidrio en el laboratorio y encontraron que la fibra mejoraba la absorción de luz en aproximadamente la mitad. Carroll dice que las células también pueden producir el doble de vatios-hora en el transcurso de un día en comparación con los paneles planos porque pueden recibir luz desde diferentes ángulos. Es lo mismo que tomar un dispositivo plano y apuntarlo directamente al sol durante todo el día, dice.
Los investigadores de Georgia Tech están experimentando con células solares orgánicas similares a base de fibra. Zhong Lin Wang , profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la universidad, dice que el enfoque tiene grandes ventajas sobre los diseños convencionales de celda plana. Su laboratorio ha desarrollado una celda híbrida que consta de fibras ópticas y una pelusa de nanocables hecha de óxido de zinc que crece en las paredes exteriores de las fibras. Los nanocables, tratados con tintes que absorben la luz, están destinados a proporcionar una mayor superficie para capturar la luz solar. Wang dice que este enfoque mejora la eficiencia en un factor de seis, aunque su laboratorio aún tiene que ir más allá de una sola hebra de fibra. Todavía estamos trabajando en la integración de múltiples fibras [en una superficie más grande], dice.
Carroll comenzó su investigación en 2004, lo que le dio a Wake University una ventaja en el camino hacia la comercialización. La mayoría de los dispositivos que existen ahora están en fibras individuales, dice. Carroll también dice que no hay escasez de técnicas de procesamiento de rollo a rollo en el mercado que podrían hacer sustratos cubiertos con fibras ópticas. Tomaremos prestado de ellos; esto no es difícil de hacer, dice. La sensibilidad al espesor de la película y la calidad de los recubrimientos es mucho menor de lo que habíamos anticipado, lo que significa que las rutas de fabricación están mucho más cerca de lo que anticipamos.
FiberCell está hablando actualmente con inversores y tiene como objetivo producir sus células orgánicas a base de fibra para tejas y otros productos que se beneficiarían de la capacidad de aceptar la luz desde diferentes ángulos. Si consigo que esto funcione cerca de su máximo, entonces tengo un dispositivo que En teoría, debería poder superar el 15 por ciento de eficiencia, acercándose al 20 por ciento, dice Carroll. Esto haría que la tecnología fotovoltaica orgánica fuera competitiva con los mejores paneles de silicio de la actualidad.
John Paul Morgan , ingeniero óptico y director de tecnología de la empresa de energía solar fotovoltaica concentrada Morgan Solar, dice que el enfoque de FiberCell tendrá que competir con otras técnicas diseñadas para aumentar el área de superficie del panel y atrapar más luz. Se ha demostrado, por ejemplo, que cultivar un bosque de nanocables estrechamente agrupados sobre un sustrato mejora la eficiencia de las células orgánicas.
Las fibras ópticas son un enfoque interesante, pero al igual que otros enfoques, se reduce a los desafíos de la fabricación, dijo Morgan. Todas las nuevas tecnologías de células enfrentan problemas con la humedad, las conexiones eléctricas y el desgaste. Si pueden superarlos, entonces esta podría ser una idea muy viable. Estoy emocionado de ver lo que viene a continuación.