La energía solar es un candidato popular para una alternativa sostenible a los combustibles fósiles. Una celda solar, o celda fotovoltaica (PV), convierte la luz solar directamente en electricidad. Sin embargo, la eficiencia de conversión no ha sido suficiente para permitir aplicaciones generalizadas de células solares.

Un límite fundamental para la máxima eficiencia de los dispositivos fotovoltaicos viene dado por las características termodinámicas, a saber, la temperatura y la entropía (una medida del desorden en un sistema). Más concretamente, este límite, conocido como límite de Landsberg, viene impuesto por la entropía de la radiación de cuerpo negro que suele atribuirse a la luz solar. El límite de Landsberg se considera ampliamente como el límite más general para la eficiencia de cualquier convertidor de luz solar.

Otro límite, llamado límite de Shockley-Queisser (SQ), proviene de la ley de Kirchhoff, que establece que la absortividad y la emisividad deben ser iguales para cualquier energía fotónica y para cualquier dirección de propagación. Este es esencialmente el principio de "equilibrio detallado" que ha regido el funcionamiento de las células solares durante décadas. La ley de Kirchhoff es, de hecho, una consecuencia de lo que se llama "simetría de inversión del tiempo". Una forma de eludir el límite SQ es, por lo tanto, romper esta simetría permitiendo que la luz se propague solo en una dirección. En pocas palabras, el límite SQ se puede superar si el convertidor fotovoltaico absorbe más y emite menos radiación.

En un nuevo estudio publicado en el Journal of Photonics for Energy (JPE ), los investigadores Andrei Sergeev del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. y Kimberly Sablon del Comando de Futuros del Ejército y la Universidad de Texas A&M proponen una forma de romper el límite SQ utilizando "estructuras fotónicas no recíprocas" que pueden reducir drásticamente las emisiones de un convertidor fotovoltaico sin afectar su total. absorción de luz.

La investigación explora un diseño fotovoltaico de una sola celda integrado con componentes ópticos no recíprocos para proporcionar una reutilización del 100 por ciento de la radiación emitida por la misma celda debido al reciclaje de fotones no recíprocos. Esto contrasta con los diseños anteriores, que consideraban un convertidor fotovoltaico con varias celdas multiunión, dispuestas de tal manera que la luz emitida por una celda era absorbida por otra.

Siguiendo los trabajos seminales de Lorentz, von Laue, Einstein, Landau, Brillouin y Schrödinger, Sergeev y Sablon también discuten la entropía de la luz solar en términos de coherencia, relatividad, distribuciones fuera de equilibrio, desorden, información y negentropía. Los autores observan que, contrariamente a la radiación fuertemente desordenada del interior del sol, los fotones de la luz solar se mueven a lo largo de líneas rectas en un ángulo sólido estrecho. Para Sergeev y Sablon, esta observación sugiere que la luz solar nos proporciona energía verde real y su eficiencia de conversión solo depende de cómo la convertimos.

Los autores demostraron que para la radiación cuasimonocromática, el convertidor fotovoltaico de celda única no recíproco alcanzó la "eficiencia de Carnot" teóricamente máxima, la eficiencia de un motor térmico ideal, que excede el límite de Landsberg. Este fue también el caso de la radiación multicolor (característica de la luz solar).

Curiosamente, esto ayudó a resolver una paradoja termodinámica relacionada con un diodo óptico. La paradoja decía que un diodo óptico podría aumentar la temperatura del absorbedor por encima de la temperatura del sol al permitir solo la propagación de la luz en un sentido. Esto violaría la segunda ley de la termodinámica. El estudio mostró que se necesitaría una cantidad infinita de ciclos de fotones para alcanzar la eficiencia de Carnot y, por lo tanto, violar la ley.

Además, los investigadores generalizaron las consideraciones termodinámicas a las distribuciones de fotones fuera del equilibrio con un potencial químico distinto de cero inducido por la luz y derivaron la eficiencia límite de un convertidor fotovoltaico no recíproco de una sola celda.

"Esta investigación estuvo motivada por el rápido progreso en la óptica no recíproca y por el desarrollo de materiales fotovoltaicos de bajo costo con alta eficiencia cuántica", dice Sergeev, citando materiales de perovskita en particular y señalando que "la recombinación débil no radiativa en estos materiales permitiría una mejora avanzada de Conversión fotovoltaica a través de la gestión de procesos radiativos".

Con las estructuras fotónicas no recíprocas en aumento, se puede esperar el desarrollo de convertidores fotovoltaicos de alta eficiencia en un futuro próximo. A medida que continúa la búsqueda de soluciones sostenibles para la crisis energética mundial, este estudio brinda muchas esperanzas para la tecnología de celdas solares. + Explora más

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