Investigadores de la Universidad de Minnesota y la Universidad de Milano-Bicocca están acercando un paso más a la realidad el sueño de las ventanas que pueden recolectar energía solar de manera eficiente gracias a las nanopartículas de silicio de alta tecnología.

Los investigadores desarrollaron tecnología para incrustar las nanopartículas de silicio en lo que ellos llaman concentradores solares luminiscentes eficientes (LSC). Estos LSC son el elemento clave de las ventanas que pueden recolectar energía solar de manera eficiente. Cuando la luz brilla a través de la superficie, las frecuencias útiles de la luz quedan atrapadas en el interior y se concentran en los bordes donde se pueden colocar pequeñas células solares para capturar la energía.

La investigación se publica hoy en Fotónica de la naturaleza .

Ventanas que pueden recolectar energía solar, llamadas ventanas fotovoltaicas, son la próxima frontera en tecnologías de energía renovable, ya que tienen el potencial de aumentar en gran medida la superficie de los edificios adecuados para la generación de energía sin afectar su estética, un aspecto crucial, especialmente en áreas metropolitanas. Las ventanas fotovoltaicas basadas en LSC no requieren que se aplique ninguna estructura voluminosa en su superficie y, dado que las células fotovoltaicas están ocultas en el marco de la ventana, se integran de forma invisible en el entorno construido.

La idea de los concentradores solares y las células solares integradas en el diseño de edificios ha existido durante décadas, pero este estudio incluyó una diferencia clave:nanopartículas de silicio. Hasta hace poco, los mejores resultados se habían logrado utilizando nanoestructuras relativamente complejas basadas en elementos potencialmente tóxicos, como cadmio o plomo, o en sustancias raras como el indio, que ya se utiliza masivamente para otras tecnologías. El silicio es abundante en el medio ambiente y no es tóxico. También funciona de manera más eficiente al absorber luz en diferentes longitudes de onda de las que emite. Sin embargo, silicio en su forma convencional a granel, no emite luz ni luminiscencia.

"En nuestro laboratorio, 'engañamos' a la naturaleza eludiendo la dimensión de los cristales de silicio a unos pocos nanómetros, eso es aproximadamente una diezmilésima parte del diámetro del cabello humano, "dijo el profesor de ingeniería mecánica de la Universidad de Minnesota, Uwe Kortshagen, inventor del proceso de creación de nanopartículas de silicio y uno de los autores principales del estudio. "En este tamaño, las propiedades del silicio cambian y se convierte en un emisor de luz eficiente, con la importante propiedad de no reabsorber su propia luminiscencia. Esta es la característica clave que hace que las nanopartículas de silicio sean ideales para aplicaciones de LSC ".

El uso de nanopartículas de silicio abrió muchas posibilidades nuevas para el equipo de investigación.

"En los últimos años, la tecnología LSC ha experimentado una rápida aceleración, gracias también a los estudios pioneros realizados en Italia, pero encontrar materiales adecuados para recolectar y concentrar la luz solar seguía siendo un desafío abierto, "dijo Sergio Brovelli, profesor de física en la Universidad de Milano-Bicocca, coautor del estudio, y cofundador de la empresa derivada Glass to Power que está industrializando LSC para ventanas fotovoltaicas "Ahora, es posible reemplazar estos elementos con nanopartículas de silicio ".

Los investigadores dicen que las características ópticas de las nanopartículas de silicio y su compatibilidad casi perfecta con el proceso industrial para producir los polímeros LSC crean un camino claro para crear ventanas fotovoltaicas eficientes que pueden capturar más del 5 por ciento de la energía del sol a bajos costos sin precedentes.

"Esto hará que las ventanas fotovoltaicas basadas en LSC sean una tecnología real para el mercado fotovoltaico integrado en edificios sin las limitaciones potenciales de otras clases de nanopartículas basadas en materiales relativamente raros". "dijo Francesco Meinardi, profesor de física en la Universidad de Milano-Bicocca y uno de los primeros autores del artículo.

Las nanopartículas de silicio se producen en un proceso de alta tecnología utilizando un reactor de plasma y se transforman en polvo.

"Cada partícula está formada por menos de dos mil átomos de silicio, "dijo Samantha Ehrenberg, un doctorado mecánico de la Universidad de Minnesota. estudiante y otro primer autor del estudio. "El polvo se convierte en una solución similar a la tinta y luego se incrusta en un polímero, ya sea formando una hoja de material plástico flexible o recubriendo una superficie con una película delgada ".

La Universidad de Minnesota inventó el proceso para crear nanopartículas de silicio hace aproximadamente una docena de años y tiene varias patentes sobre esta tecnología. En 2015, Kortshagen conoció a Brovelli, que es un experto en la fabricación de LSC y ya había demostrado varios enfoques exitosos para LSC eficientes basados ​​en otros sistemas de nanopartículas. El potencial de las nanopartículas de silicio para esta tecnología quedó claro de inmediato y nació la asociación. La Universidad de Minnesota produjo las partículas e investigadores en Italia fabricaron los LSC incrustándolos en polímeros a través de un método de base industrial. Y funcionó.

"Esta fue realmente una asociación en la que reunimos a los mejores investigadores en sus campos para hacer que una vieja idea fuera realmente exitosa, ", Dijo Kortshagen." Teníamos la experiencia en la fabricación de nanopartículas de silicio y nuestros socios en Milán tenían experiencia en la fabricación de concentradores luminiscentes. Cuando todo se juntó sabíamos que teníamos algo especial ".