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  • La célula solar que también brilla:el diseño de tipo LED luminiscente rompe el récord de eficiencia

    Esta es la celda solar de alta eficiencia de Alta Devices. Crédito:Joe Foster, Dispositivos Alta

    Para producir la máxima cantidad de energía, Las células solares están diseñadas para absorber tanta luz solar como sea posible. Ahora, investigadores de la Universidad de California, Berkeley, han sugerido, y demostrado, un concepto contrario a la intuición:las células solares deben diseñarse para parecerse más a los LED, capaz de emitir luz y absorberla.

    "Lo que demostramos es que cuanto mejor es una célula solar para emitir fotones, cuanto mayor sea su voltaje y mayor sea la eficiencia que puede producir, "dice Eli Yablonovitch, investigador principal y profesor de ingeniería eléctrica de UC Berkeley.

    Desde 1961, los científicos han sabido que, en condiciones ideales, Existe un límite en la cantidad de energía eléctrica que se puede obtener de la luz solar que incide en una célula solar típica. Este límite absoluto es, teóricamente, alrededor del 33,5 por ciento. Eso significa que como máximo el 33,5 por ciento de la energía de los fotones entrantes será absorbida y convertida en energía eléctrica útil.

    Sin embargo, durante cinco décadas, los investigadores no pudieron acercarse a lograr esta eficiencia:a partir de 2010, lo más alto que alguien había llegado era solo más del 26 por ciento. (Esto es para placa plana, células solares de "unión única", que absorben ondas de luz por encima de una frecuencia específica. Celdas de "unión múltiple", que tienen múltiples capas y absorben múltiples frecuencias, son capaces de lograr mayores eficiencias).

    Más recientemente, Yablonovitch y sus colegas estaban tratando de comprender por qué ha habido una brecha tan grande entre el límite teórico y el límite que los investigadores han podido alcanzar. Mientras trabajaban, surgió una "imagen coherente, "dice Owen Miller, estudiante de posgrado en UC Berkeley y miembro del grupo de Yablonovitch. Se encontraron con un relativamente simple, si tal vez sea contradictorio, solución basada en una conexión matemática entre absorción y emisión de luz.

    "Fundamentalmente, es porque hay un vínculo termodinámico entre la absorción y la emisión, ", Dice Miller. Diseñar células solares para emitir luz, de modo que los fotones no se" pierdan "dentro de una célula, tiene el efecto natural de aumentar el voltaje producido por la célula solar." Si tienes una célula solar, eso es un buen emisor de luz, también hace que produzca un voltaje más alto, "lo que a su vez aumenta la cantidad de energía eléctrica que se puede obtener de la celda por cada unidad de luz solar, Dice Miller.

    La teoría de que la emisión luminiscente y el voltaje van de la mano no es nueva. Pero la idea nunca antes se había considerado para el diseño de células solares, Miller continúa.

    El año pasado, una empresa con sede en el área de la bahía llamada Alta Devices, cofundada por Yablonovitch, utilizó el nuevo concepto para crear un prototipo de celda solar hecha de arseniuro de galio (GaAs), un material que se utiliza a menudo para fabricar células solares en satélites. El prototipo rompió el récord, saltando del 26 por ciento al 28,3 por ciento de eficiencia. La empresa logró este hito, en parte, diseñando la celda para permitir que la luz escape lo más fácilmente posible de la celda, utilizando técnicas que incluyen, por ejemplo, aumentar la reflectividad del espejo retrovisor, que envía fotones entrantes de regreso a través de la parte frontal del dispositivo.

    Las células solares producen electricidad cuando los fotones del Sol golpean el material semiconductor dentro de una célula. La energía de los fotones hace que los electrones se suelten de este material, permitiendo que los electrones fluyan libremente. Pero el proceso de liberar electrones también puede generar nuevos fotones, en un proceso llamado luminiscencia. La idea detrás del novedoso diseño de la celda solar es que estos nuevos fotones, que no provienen directamente del Sol, deberían poder escapar de la celda lo más fácilmente posible.

    "La primera reacción suele ser, ¿Por qué ayuda [dejar que estos fotones escapen]? ", dice Miller." ¿No quieres mantener [los fotones] adentro, ¿Dónde tal vez podrían crear más electrones? "Sin embargo, matemáticamente, permitir que los nuevos fotones escapen aumenta el voltaje que la célula puede producir.

    El trabajo es "bueno, forma útil "de determinar cómo los científicos pueden mejorar el rendimiento de las células solares, así como de encontrar nuevas formas creativas de probar y estudiar las células solares, dice Leo Schowalter de Crystal IS, Inc. y profesor invitado en el Instituto Politécnico Rensselaer, quien es presidente del comité CLEO sobre LED, fotovoltaica, y fotónica energéticamente eficiente.

    Yablonovitch dice que espera que los investigadores puedan utilizar esta técnica para lograr eficiencias cercanas al 30 por ciento en los próximos años. Y dado que el trabajo se aplica a todo tipo de células solares, los hallazgos tienen implicaciones en todo el campo.

    El equipo de Berkeley presentará sus hallazgos en la Conferencia sobre Láseres y Electro Óptica (CLEO:2012), 6-11 de mayo San Jose, Calif.


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