Alrededor del 40 por ciento de la energía solar que llega a la superficie de la Tierra se encuentra en la región del infrarrojo cercano del espectro, energía que las células solares convencionales basadas en silicio no pueden aprovechar. Pero un nuevo tipo de célula solar totalmente de carbono desarrollada por investigadores del MIT podría aprovechar esa energía no utilizada, abriendo la posibilidad de combinar células solares, incorporando tanto las células tradicionales basadas en silicio como las nuevas células totalmente de carbono, que podrían hacer uso de casi toda la gama de energía solar.

"Es un tipo fundamentalmente nuevo de célula fotovoltaica, "Dice Michael Strano, el profesor Charles e Hilda Roddey de ingeniería química en el MIT y autor principal de un artículo que describe el nuevo dispositivo que se publicó esta semana en la revista Materiales avanzados .

La nueva celda está hecha de dos formas exóticas de carbono:nanotubos de carbono y C60, también conocido como buckyballs. “Esta es la primera celda fotovoltaica totalmente de carbono, ”, Dice Strano, una hazaña posible gracias a los nuevos desarrollos en la producción a gran escala de nanotubos de carbono purificados. “Solo ha sido en los últimos años que ha sido posible entregarle a alguien un vial de un solo tipo de nanotubo de carbono, ”, Dice. Para que funcionen las nuevas células solares, los nanotubos tienen que ser muy puros, y de tipo uniforme:de pared simple, y todos de solo una de las dos posibles configuraciones simétricas de los nanotubos.

Otros grupos han fabricado células fotovoltaicas (PV) utilizando nanotubos de carbono, pero solo usando una capa de polímero para mantener los nanotubos en posición y recolectar los electrones que se sueltan cuando absorben la luz solar. Pero esa combinación agrega pasos adicionales al proceso de producción, y requiere recubrimientos adicionales para evitar la degradación con la exposición al aire. La nueva celda fotovoltaica totalmente de carbono parece ser estable en el aire, Dice Strano.

La celda a base de carbono es más eficaz para capturar la luz solar en la región del infrarrojo cercano. Debido a que el material es transparente a la luz visible, tales celdas podrían superponerse a celdas solares convencionales, creando un dispositivo en tándem que podría aprovechar la mayor parte de la energía de la luz solar. Las celdas de carbono necesitarán refinarse, Strano y sus colegas dicen:Hasta ahora, los primeros dispositivos de prueba de concepto tienen una eficiencia de conversión de energía de solo alrededor del 0,1 por ciento.

Pero si bien el sistema requiere más investigación y ajustes, “Estamos en camino de fabricar células solares de infrarrojo cercano de muy alta eficiencia, ”Dice Rishabh Jain, un estudiante de posgrado que fue el autor principal del artículo.

Debido a que el nuevo sistema utiliza capas de materiales a nanoescala, producir las células requeriría cantidades relativamente pequeñas de carbono altamente purificado, y las celdas resultantes serían muy ligeras, dice el equipo. “Una de las cosas realmente buenas de los nanotubos de carbono es que su absorción de luz es muy alta, por lo que no necesita mucho material para absorber mucha luz, "Dice Jain.

Típicamente, cuando se estudia un nuevo material de células solares, hay grandes ineficiencias, que los investigadores encuentran gradualmente formas de reducir. En este caso, postdoctorado y coautor Kevin Tvrdy dice:Algunas de estas fuentes de ineficiencia ya se han identificado y abordado:Por ejemplo, Los científicos ya saben que las mezclas heterogéneas de nanotubos de carbono son mucho menos eficientes que las formulaciones homogéneas. y el material que contiene una combinación de nanotubos de pared simple y de paredes múltiples es mucho menos eficiente que a veces no funcionan en absoluto, él dice.

"Para nosotros es bastante claro el tipo de cosas que deben suceder para aumentar la eficiencia, "Dice Jain. Un área que los investigadores del MIT están explorando ahora es un control más preciso sobre la forma y el grosor exactos de las capas de material que producen. él dice.

El equipo espera que otros investigadores se unan a la búsqueda de formas de mejorar su sistema, Dice Jain. "Es en gran medida un sistema modelo, "Él dice, "Y otros grupos ayudarán a aumentar la eficiencia".

Pero Strano señala que dado que la parte del infrarrojo cercano del espectro solar no está actualmente utilizada por las células solares típicas, incluso una celda de baja eficiencia que funcione en esa región podría valer la pena siempre que su costo sea bajo. "Si pudieras aprovechar incluso una parte del espectro del infrarrojo cercano, agrega valor, ”, Dice.

Strano agrega que uno de los revisores anónimos del artículo comentó que el logro de una celda fotovoltaica basada en carbono que absorbe infrarrojos sin capas de polímero es la realización de "un sueño para el campo".

Michael Arnold, un profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Wisconsin en Madison que no participó en esta investigación, dice, “Los nanotubos de carbono ofrecen tentadoras posibilidades para aumentar la eficiencia de las células solares y son como polímeros fotovoltaicos con esteroides”. Este trabajo, él dice, "Es emocionante porque demuestra la conversión de energía fotovoltaica utilizando una capa activa que está hecha completamente de carbono". "Esta parece una dirección muy prometedora que eventualmente permitirá que la promesa de los nanotubos se aproveche de manera más completa".

El trabajo también involucró a los estudiantes graduados del MIT Rachel Howden, Steven Shimizu y Andrew Hilmer; postdoctorado Thomas McNicholas; y la profesora de ingeniería química Karen Gleason. Contó con el apoyo de la empresa italiana Eni a través de la MIT Energy Initiative, así como la Fundación Nacional de Ciencias y el Departamento de Defensa a través de becas de posgrado para Jain y Howden, respectivamente.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.