Convertir la luz solar en electricidad ya no puede significar grandes paneles de células fotovoltaicas sobre superficies planas como techos.

Usando nanoestructuras de óxido de zinc cultivadas en fibras ópticas y recubiertas con materiales de células solares sensibilizadas con colorante, Los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han desarrollado un nuevo tipo de sistema fotovoltaico tridimensional. El enfoque podría permitir que los sistemas fotovoltaicos se oculten a la vista y se ubiquen lejos de lugares tradicionales como tejados.

"Con esta tecnología, podemos fabricar generadores fotovoltaicos que sean plegables, oculto y móvil, "dijo Zhong Lin Wang, profesor de Regents en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech. "La fibra óptica podría conducir la luz solar hacia las paredes de un edificio donde las nanoestructuras la convertirían en electricidad. Esta es verdaderamente una célula solar tridimensional".

Los detalles de la investigación se publicaron en la vista inicial de la revista. Angewandte Chemie International el 22 de octubre. El trabajo fue patrocinado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA), KAUST Global Research Partnership y National Science Foundation.

Las células solares sensibilizadas por colorante utilizan un sistema fotoquímico para generar electricidad. Son económicos de fabricar, flexible y mecánicamente robusto, pero su compensación por un costo más bajo es una eficiencia de conversión más baja que la de las celdas basadas en silicio. Pero el uso de matrices de nanoestructuras para aumentar el área de superficie disponible para convertir la luz podría ayudar a reducir la desventaja de la eficiencia. al tiempo que brinda a los arquitectos y diseñadores nuevas opciones para incorporar fotovoltaica en edificios, vehículos e incluso equipo militar.

La fabricación del nuevo sistema fotovoltaico de Georgia Tech comienza con fibra óptica del tipo que utiliza la industria de las telecomunicaciones para transportar datos. Primero, los investigadores eliminan la capa de revestimiento, luego aplique una capa conductora a la superficie de la fibra antes de sembrar la superficie con óxido de zinc. Próximo, utilizan técnicas establecidas basadas en soluciones para hacer crecer nanocables de óxido de zinc alineados alrededor de la fibra, como las cerdas de un cepillo de botella. Luego, los nanocables se recubren con los materiales sensibilizados con colorante que convierten la luz en electricidad.

La luz solar que ingresa a la fibra óptica pasa a los nanocables, donde interactúa con las moléculas de tinte para producir corriente eléctrica. Un electrolito líquido entre los nanocables recoge las cargas eléctricas. El resultado es un sistema híbrido de nanocables / fibra óptica que puede ser hasta seis veces más eficiente que las células planas de óxido de zinc con la misma superficie.

"En cada reflejo dentro de la fibra, la luz tiene la oportunidad de interactuar con las nanoestructuras que están recubiertas con las moléculas de tinte, "Explicó Wang." Tienes múltiples reflejos de luz dentro de la fibra, y múltiples reflexiones dentro de las nanoestructuras. Estas interacciones aumentan la probabilidad de que la luz interactúe con las moléculas de tinte, y eso aumenta la eficiencia ".

Wang y su equipo de investigación han alcanzado una eficiencia del 3,3 por ciento y esperan alcanzar del 7 al 8 por ciento después de la modificación de la superficie. Aunque es más bajo que las células solares de silicio, esta eficiencia sería útil para la recolección de energía práctica. Si pueden hacer eso, el costo potencialmente más bajo de su enfoque podría hacerlo atractivo para muchas aplicaciones.

Al proporcionar un área más grande para recolectar luz, la técnica maximizaría la cantidad de energía producida por la luz solar intensa, además de generar niveles de potencia respetables incluso con poca luz. La cantidad de luz que ingresa a la fibra óptica podría aumentarse usando lentes para enfocar la luz entrante, y la celda solar a base de fibra tiene una intensidad de saturación muy alta, Dijo Wang.

Wang cree que esta nueva estructura ofrecerá a los arquitectos y diseñadores de productos un formato fotovoltaico alternativo para incorporar en otras aplicaciones.

"Esto realmente proporcionará algunas opciones nuevas para los sistemas fotovoltaicos, ", Dijo Wang." Podríamos eliminar los problemas estéticos de las matrices fotovoltaicas en la construcción. También podemos imaginar sistemas fotovoltaicos para proporcionar energía a vehículos estacionados, y para cargar equipos militares móviles donde los arreglos tradicionales no son prácticos o no querría usarlos ".

Wang y su equipo de investigación, que incluye a Benjamin Weintraub y Yaguang Wei, han producido generadores en fibra óptica de hasta 20 centímetros de longitud. "Cuanto más tiempo mejor, "dijo Wang, "porque durante más tiempo la luz puede viajar a lo largo de la fibra, cuantos más rebotes hará y más será absorbido ".

Hasta ahora se ha utilizado fibra óptica de cuarzo tradicional, pero a Wang le gustaría usar fibra polimérica menos costosa para reducir el costo. También está considerando otras mejoras, como un mejor método para recolectar las cargas y un recubrimiento de superficie de óxido de titanio que podría aumentar aún más la eficiencia.

Aunque podría usarse para grandes sistemas fotovoltaicos, Wang no espera que sus células solares reemplacen los dispositivos de silicio en el corto plazo. Pero sí cree que ampliarán las aplicaciones potenciales de la energía fotovoltaica.

"Esta es una forma diferente de obtener energía del sol, "Dijo Wang." Para satisfacer nuestras necesidades energéticas, necesitamos todos los enfoques que podamos conseguir ".

Fuente:Instituto de Tecnología de Georgia