Como la tecnología energética de más rápido crecimiento en el mundo, La energía solar sigue representando una parte cada vez mayor del suministro energético mundial. En la actualidad, la mayor parte de la energía fotovoltaica comercial proviene de materiales semiconductores a granel. Pero en los últimos años, Los científicos han estado investigando cómo las nanoestructuras de semiconductores pueden aumentar la eficiencia de las células solares y el nuevo campo de los combustibles solares.
Aunque ha habido cierta controversia sobre cuánto puede mejorar la nanociencia las células solares, un resumen reciente de esta investigación por Arthur Nozik, investigador del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) y profesor de la Universidad de Colorado, muestra que las nanoestructuras de semiconductores tienen un potencial significativo para convertir la energía solar en electricidad.
En su resumen, que se publica en un número reciente de Nano letras , Nozik ha resumido el estado actual de varios enfoques para mejorar la energía fotovoltaica con nanociencia. Como explica, las ventajas de las nanoestructuras semiconductoras surgen del confinamiento cuántico de electrones negativos y huecos positivos en regiones muy pequeñas del espacio en los nanocristales. El confinamiento cuántico puede ocurrir en uno, dos o tres dimensiones; en tres dimensiones, los semiconductores se llaman puntos cuánticos. En cualquier régimen, el confinamiento cuántico produce efectos de cuantificación, resultando en propiedades ópticas y electrónicas únicas.
“Hay dos ventajas teóricas principales de incorporar puntos cuánticos en células solares y energía fotovoltaica:mayor eficiencia y menor costo, ”Nozik le dijo a PhysOrg.com. “Existe una posibilidad teórica basada en cálculos termodinámicos de aumentar la eficiencia de las células solares actuales en una cantidad muy significativa del 50-100%. Además, los puntos cuánticos podrían reducir el costo de capital de la producción de células solares en términos de costo por unidad de área. La combinación de menor costo por unidad de área y mayor eficiencia de conversión reduciría el costo de la energía fotovoltaica expresado como costo por vatio pico. Las celdas de silicio actuales son caras (aproximadamente tres veces el costo de la electricidad convencional), pero los puntos cuánticos se basan en métodos químicos de solución de baja temperatura menos costosos, además, podrían producir una mayor eficiencia de conversión. Sin embargo, todavía queda mucho trabajo por hacer antes de que los puntos cuánticos estén disponibles comercialmente ".
El principio básico de las células solares fotovoltaicas es absorber fotones de la radiación solar incidente con energías por encima de la banda prohibida de los semiconductores, y usar los fotones para crear electrones libres y huecos (llamados portadores de carga). Para aumentar la eficiencia del sistema, es importante formar tantos portadores de carga como sea posible a partir de los fotones absorbidos. Aquí es donde los efectos del confinamiento cuántico se vuelven muy útiles, a medida que los efectos acoplan electrones fotogenerados y huecos en pares de electrones-huecos ligados llamados excitones, y fomentar la formación eficiente de más de un excitón a partir de un solo fotón absorbido. En puntos cuánticos. el proceso se llama generación de excitones múltiples (MEG). Entre sus ventajas, MEG es más eficiente y puede ocurrir con fotones de menor energía en la región visible del espectro solar en comparación con un proceso de multiplicación de portadores de carga en semiconductores a granel (un proceso llamado ionización por impacto, que generalmente está restringida a la región ultravioleta donde los fotones solares están ausentes o escasos).
Para generar múltiples excitones, el proceso MEG debe competir con el enfriamiento rápido de los excitones de alta energía fotogenerados iniciales (llamados "excitones calientes"). Los excitones calientes se crean mediante la absorción de fotones energéticos azules o casi ultravioleta. En semiconductores a granel a temperatura ambiente y superiores, los electrones y huecos fotogenerados están desacoplados y existen como portadores de carga gratuita (llamados "portadores calientes"). El exceso de energía de los excitones calientes o portadores calientes puede perder rápidamente su exceso de energía cinética a través de interacciones electrón-fonón y convertirlo en calor. lo que explica una pérdida significativa de eficiencia de conversión. Sin embargo, Nozik señala que, a pesar de alguna controversia, Estudios recientes han demostrado que la tasa de MEG puede ser mucho más rápida que la tasa de enfriamiento del excitón caliente, resultando en una mayor eficiencia general de la multiplicación de pares de electrones-huecos. Pero a pesar de los primeros informes iniciales de rendimientos cuánticos del 200% en células solares fotoelectroquímicas de puntos cuánticos, Hasta la fecha, ningún dispositivo fotovoltaico basado en puntos cuánticos ha mostrado una eficiencia de conversión de energía mejorada real debido a MEG.
"Generalmente, el objetivo es producir sistemas que tengan eficiencias cercanas al límite teórico, ”Dijo Nozik. “La eficiencia teórica es de aproximadamente el 45%, mientras que la eficiencia de laboratorio de las actuales células solares de puntos cuánticos es de aproximadamente un 3-5%. Esa es una gran brecha; necesitamos entender qué limita la eficiencia en estos nuevos enfoques ".
A pesar de la controversia sobre MEG, Nozik concluye que las posibilidades de las células solares de puntos cuánticos y otras nanoestructuras que utilizan el confinamiento cuántico parecen prometedoras, aunque todavía queda mucho por hacer. Un problema que puede ayudar a MEG a alcanzar su máximo potencial es garantizar que los excitones adicionales se recolecten rápidamente. ya que se descomponen en aproximadamente 20-100 picosegundos después de la formación. Más importante, Nozik enfatiza que los investigadores deben esforzarse por alcanzar la máxima eficiencia teórica de las células solares.
"Existe un cierto grado de controversia sobre estos enfoques de tercera generación porque son nuevos y no se comprenden completamente, ”Dijo Nozik. "En el pasado, algunos resultados no se pudieron reproducir en diferentes laboratorios. Pero ahora, cada vez más personas en los últimos años están reproduciendo resultados positivos. Los Alamos y NREL están midiendo estos efectos en un nuevo Centro de Investigación de la Frontera Energética del DOE de EE. UU. Con diferentes técnicas, y obteniendo la misma respuesta. Entonces es un efecto real, un efecto positivo. Sin embargo, algunas personas todavía son escépticas y piensan que nunca alcanzaremos esos valores [de eficiencia teórica]. Pero no hay ninguna razón fundamental por la que no podamos alcanzar esos valores. Solo se necesita más investigación, más esfuerzo, y más comprensión ".
Copyright 2010 PhysOrg.com.
Reservados todos los derechos. Este material puede no ser publicado, transmisión, reescrito o redistribuido total o parcialmente sin el permiso expreso por escrito de PhysOrg.com.
