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Manipulación de la luz para duplicar la salida de energía solar
La mayoría de los paneles solares convierten en electricidad menos del 20 por ciento de la energía de la luz solar que cae sobre ellos. Un nuevo proyecto de $ 2.4 millones financiado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Energía de EE. UU. Tiene como objetivo aumentar en gran medida la cantidad de luz solar que se convierte en electricidad. Su objetivo es una eficiencia de conversión de más del 50 por ciento, lo que duplicaría la cantidad de energía generada por un panel solar de un tamaño determinado. Esto reduciría la cantidad de paneles solares necesarios a la mitad y potencialmente haría que la energía solar fuera más competitiva con los combustibles fósiles.
En el nuevo esfuerzo de investigación, Harry Atwater, profesor de física aplicada y ciencia de materiales en Caltech, planea usar materiales estructurados con precisión para clasificar la luz solar en ocho a 10 colores diferentes y dirigirlos a las células solares con semiconductores que combinan perfectamente con cada color. . Como resultado, se absorberá una mayor parte del espectro solar y la energía contenida en cada segmento del espectro se convertirá principalmente en electricidad, en lugar de calor.
La idea general de clasificar la luz solar por color no es nueva. Un enfoque implica cultivar múltiples materiales semiconductores en una pila: la luz se mueve a través de la pila hasta que es absorbida por un semiconductor que puede convertirla de manera eficiente. Este enfoque ha producido células solares comerciales con eficiencias de más del 43 por ciento. Pero el proceso para fabricar dichas células solares es caro y la potencia de salida del dispositivo está limitada por la capa de peor rendimiento.
Otros han intentado clasificar la luz en varios colores utilizando lentes, espejos y filtros convencionales, pero los prototipos han sido voluminosos y no han alcanzado una eficiencia muy alta, en parte debido a la imprecisión de la óptica; ha resultado difícil dirigir exactamente la dirección correcta. longitudes de onda de luz a cada célula solar. También ha sido difícil dividir la luz en más de un par de colores diferentes en un dispositivo.
En los últimos años, sin embargo, los científicos han mejorado en la manipulación de la luz a una escala muy pequeña, clasificándola por color, atrapándola y guiándola de un lugar a otro utilizando capas delgadas de material que incorporan características diminutas que a menudo son más pequeñas. que la longitud de onda de la luz. Atwater planea aprovechar estos avances para manipular la luz con precisión y en un paquete plano compacto que podría no verse muy diferente a un panel solar convencional. Una capa dividiría la luz, la clasificaría por color y luego la enviaría a una segunda capa que contiene una serie de células solares que combinan con cada color.
El desafío con este enfoque es que nadie fabrica estos materiales estructurados con precisión en las grandes áreas y en los grandes volúmenes necesarios en la industria solar. Pero Atwater compara el dispositivo con un televisor de pantalla plana, que en sí mismo es un dispositivo sofisticado para manipular la luz, con sus millones de transistores para encender y apagar píxeles de diferentes colores.
Los primeros que salieron fueron muchos miles de dólares y tenían defectos. Ahora puede obtener uno por menos de cien dólares que es esencialmente perfecto, y los costos están bajando todo el tiempo, dice. Las pantallas planas son un ejemplo de algo que está a la escala de un panel solar, pero son circuitos optoelectrónicos increíblemente complejos. Lo que estamos proponiendo es primitivo según ese estándar.
Atwater dice que las herramientas de fabricación necesarias para fabricar sus materiales nanoestructurados están comenzando a salir al mercado. Sin embargo, seguirán siendo caros siempre que los volúmenes de producción sean bajos. Los investigadores también se están acercando a la capacidad de fabricar obleas delgadas de varios semiconductores y transferirlas a un dispositivo como el que está imaginando.