Actuando como una plancha para gofres, nanodomos de silicio, cada uno de unos 300 nanómetros de diámetro y 200 nanómetros de alto, imprimir un patrón de panal de hoyuelos a nanoescala en una capa de metal dentro de la célula solar.
(PhysOrg.com) - Los ingenieros de Stanford han logrado aprovechar los plasmónicos, una rama emergente de la ciencia y la tecnología, para atrapar la luz de manera más eficaz dentro de las delgadas células solares. Como resultado, estamos un paso más cerca de adelgazar, células solares económicas.
Los investigadores en energía solar hablan de un día en el que millones de metros cuadrados en barbecho de techos bañados por el sol, ventanas Los desiertos e incluso la ropa se integrarán con celdas solares económicas que son muchas veces más delgadas y livianas que los voluminosos paneles de techo familiares en la actualidad.
Entonces, cuando tu iPod está en el punto de mira, puede conectarlo a su camisa para recargar. ¿Perdido en el Serengeti con un teléfono celular agotado? No hay problema; enrollada en tu mochila es una almohadilla solar liviana. ¿Navegar por los siete mares y tu GPS necesita algo de jugo? Iza una vela solar y conviértete en uno con los dioses de la órbita geosincrónica.
No es difícil imaginar un momento en el que tales tecnologías serán omnipresentes en nuestras vidas cada vez más hambrientas de energía. Ese día puede llegar un poco antes gracias a un equipo multidisciplinario de ingenieros de Stanford dirigido por Mike McGehee, Yi Cui y Mark Brongersma, y se unió a Michael Graetzel en la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL).
Ondas de energía
En un artículo publicado en Materiales de energía avanzada , el equipo de Stanford / EPFL anunció un nuevo tipo de célula solar delgada que podría ofrecer una nueva dirección para el campo. Lograron aprovechar la plasmónica, una rama emergente de la ciencia y la tecnología, para atrapar la luz de manera más efectiva dentro de las delgadas células solares para mejorar el rendimiento y acercarlas un paso más a la realidad diaria.
"La plasmónica hace que sea mucho más fácil mejorar la eficiencia de las células solares, "dijo McGehee, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford.
McGehee es el director de CAMP, el Centro de Energía Fotovoltaica Molecular Avanzada, un centro multidisciplinario, Equipo multiuniversitario que aborda los desafíos de las células solares de película delgada.
"Con plasmónicos podemos absorber la luz en películas más delgadas que nunca, "Dijo McGehee." Cuanto más delgada es la película, cuanto más cerca estén las partículas cargadas de los electrodos. En esencia, más electrones pueden llegar al electrodo para convertirse en electricidad ".
La plasmónica es el estudio de la interacción de la luz y el metal. En circunstancias precisas, estas interacciones crean un flujo de alta frecuencia, ondas eléctricas densas en lugar de partículas de electrones. El pulso electrónico viaja en ondas extremadamente rápidas de mayor y menor densidad, como un sonido a través del aire.
Un gofre solar perfecto
El momento de la bombilla para el equipo llegó cuando imprimieron un patrón de nido de abeja de hoyuelos a nanoescala en una capa de metal dentro de la célula solar. Piense en ello como un gofre a nanoescala, solo los golpes en la plancha para gofres son cúpulas en lugar de cubos:nanodomos para ser exactos, cada uno de solo unas mil millonésimas de metro de ancho.
Para dar forma a su gofre, McGehee y los miembros del equipo extendieron una fina capa de masa sobre un base eléctricamente conductora. Esta masa es principalmente titania, un metal semiporoso que también es transparente a la luz. Próximo, utilizan su nano plancha para gofres para imprimir los hoyuelos en la masa. Próximo, ponen un poco de mantequilla, un tinte sensible a la luz, que rezuma en los hoyuelos y poros del gofre. Finalmente, los ingenieros agregan un poco de jarabe, una capa de plata, que se endurece casi de inmediato.
Titania dentro de la célula solar está impresa por los nanodomas de silicio como un gofre impreso por el hierro.
Cuando todos esos nanodimples se llenen, el resultado es un patrón de nanodomos en el lado luminoso de la plata.
Esta capa irregular de plata tiene dos beneficios principales. Primero, actúa como un espejo, dispersando la luz no absorbida de nuevo en el tinte para otra oportunidad de recolección. Segundo, la luz interactúa con los nanodomas de plata para producir efectos plasmónicos. Esas cúpulas de plata son cruciales. Los reflectores sin ellos no producirán el efecto deseado. Y cualquier nanodomo antiguo tampoco servirá; deben tener el diámetro y la altura adecuados, y espaciados así, para optimizar completamente los plasmónicos.
Si te imaginas a tu nanoyo observando una de estas células solares en cámara lenta, verías entrar y pasar fotones a través de la base transparente y la titania (el gofre), en cuyo punto algunos fotones serían absorbidos por el tinte sensible a la luz (la mantequilla), creando una corriente eléctrica. La mayoría de los fotones restantes golpearían el reflector trasero plateado (el jarabe endurecido) y rebotarían en la celda solar. Una cierta porción de los fotones que alcanzan la plata, sin embargo, golpeará los nanodomos y hará que las ondas plasmónicas se dirijan hacia afuera. Y ahí lo tiene:la primera célula solar sensibilizada con colorante plasmónico.
Atrapando la luz fantástica
Es fácil ver por qué los investigadores se centran en la tecnología solar de película delgada. En años recientes, se ha dirigido mucha esperanza hacia estos ligeros, células flexibles que utilizan tintes fotosensibles para generar electricidad. Estas células tienen muchas ventajas:Consumen menos energía y son menos costosas de producir, fluyendo como papel de periódico de enormes prensas de rollos. Son más delgadas incluso que otras células solares "delgadas". También se pueden imprimir en bases flexibles que se pueden enrollar y llevar prácticamente a cualquier lugar. Muchos usan no tóxicos, materiales abundantemente disponibles, también, una gran ventaja en el impulso a la sostenibilidad.
Las células solares sensibilizadas por colorante no están exentas de desafíos, sin embargo. Antes que nada, los mejores convierten solo un pequeño porcentaje de la luz en electricidad, alrededor del 8 por ciento. Las tecnologías comerciales más voluminosas disponibles en la actualidad han alcanzado una eficiencia del 25 por ciento, y ciertas aplicaciones avanzadas han superado el 40 por ciento. Y luego está la durabilidad. La última célula solar delgada durará unos siete años bajo exposición continua a los elementos. Nada mal hasta que consideras que 20 a 30 años es el estándar comercial.
Deberán mejorar tanto la eficiencia como la fiabilidad. Sin embargo, ingenieros como McGehee creen que si pueden convertir solo el 15 por ciento de la luz en electricidad, una cifra que no está fuera de su alcance, y alargar la vida útil a una década, pronto podríamos encontrarnos en la era de las células solares personales. Un avance como la plasmónica podría proporcionar la chispa necesaria para llevar al campo por un camino nuevo y emocionante.
Una cuestión de economía
Más barato y limpio serán las claves. La energía a base de carbón es abundante y barata, pero también tiene un alto costo ambiental en paisajes desgarrados y cielos contaminados. A las tarifas comerciales de hoy, sin embargo, incluso las mejores alternativas solares cuestan cinco veces más por kilovatio-hora que el carbón. Está claro que la economía, y no tecnología, es lo que se interpone entre nosotros y nuestro futuro solar.
Pero McGehee y otros confían en que pueden hacer que las células solares delgadas sean más atractivas.
