Una celda solar convencional, izquierda, refleja la luz de su superficie y pierde la luz que penetra en la célula. Nueva tecnología, Derecha, desarrollado por el profesor Stephen Chou de Princeton y sus colegas en ingeniería eléctrica, previene ambos tipos de pérdida y es mucho más fino. Crédito:Ilustración de Dimitri Karetnikov
Los investigadores de Princeton han encontrado una forma sencilla y económica de casi triplicar la eficiencia de las células solares orgánicas. los dispositivos de plástico baratos y flexibles que muchos científicos creen que podrían ser el futuro de la energía solar.
Los investigadores, dirigido por el ingeniero eléctrico Stephen Chou, Pudieron aumentar la eficiencia en un 175 por ciento mediante el uso de un "sándwich" nanoestructurado de metal y plástico que recoge y atrapa la luz. Chou dijo que la tecnología también debería aumentar la eficiencia de los colectores solares inorgánicos convencionales, como paneles solares de silicio estándar, aunque advirtió que su equipo aún no ha completado la investigación con dispositivos inorgánicos.
Chou dijo que el equipo de investigación utilizó la nanotecnología para superar dos desafíos principales que hacen que las células solares pierdan energía:la luz que se refleja en la célula, y la incapacidad de capturar completamente la luz que ingresa a la celda.
Con su nuevo sándwich metálico, los investigadores pudieron abordar ambos problemas. El sándwich, llamado cavidad plasmónica de sublongitud de onda, tiene una capacidad extraordinaria para amortiguar la reflexión y atrapar la luz. La nueva técnica permitió al equipo de Chou crear una celda solar que solo refleja alrededor del 4 por ciento de la luz y absorbe hasta el 96 por ciento. Demuestra una eficiencia un 52 por ciento más alta en la conversión de luz en energía eléctrica que una celda solar convencional.
Eso es para la luz solar directa. La estructura logra aún más eficiencia para la luz que incide en la celda solar en ángulos grandes, que ocurre en días nublados o cuando la celda no está directamente frente al sol. Al capturar estos rayos en ángulo, la nueva estructura aumenta la eficiencia en un 81 por ciento adicional, conduciendo al 175 por ciento de aumento total.
La física detrás de la innovación es formidablemente compleja. Pero la estructura del dispositivo, en concepto, es bastante simple.
La capa superior conocida como la capa de la ventana, de la nueva célula solar utiliza una malla metálica increíblemente fina:el metal tiene un grosor de 30 nanómetros, y cada agujero tiene 175 nanómetros de diámetro y 25 nanómetros de distancia. Esta malla reemplaza la capa de ventana convencional, típicamente hecha de un material llamado óxido de indio-estaño (ITO).
Esta imagen de microscopio electrónico muestra la malla dorada creada por Chou y sus colegas. Cada agujero tiene 175 nanómetros de diámetro, que es más pequeño que la longitud de onda de la luz. Crédito:Imagen cortesía del laboratorio de Chou
La capa de la ventana de malla se coloca muy cerca de la capa inferior del sándwich, la misma película metálica que se utiliza en las células solares convencionales. Entre las dos láminas de metal hay una tira delgada de material semiconductor que se utiliza en los paneles solares. Puede ser de cualquier tipo:silicio, plástico o arseniuro de galio, aunque el equipo de Chou usó un plástico de 85 nanómetros de espesor.
Las características de la célula solar:el espaciado de la malla, el grosor del sándwich, el diámetro de los orificios - son todos más pequeños que la longitud de onda de la luz que se recolecta. Esto es fundamental porque la luz se comporta de formas muy inusuales en estructuras de sub-longitud de onda. El equipo de Chou descubrió que el uso de estas estructuras de sublongitud de onda les permitió crear una trampa en la que entra la luz, casi sin reflejo, y no se va.
Una parte clave de la nueva tecnología es una fina malla dorada, que sirve como una capa de "ventana" para la célula solar. Crédito:Imagen cortesía del laboratorio de Chou
"Es como un agujero negro para la luz, "Dijo Chou." Lo atrapa ".
El equipo llama al sistema una "cavidad plasmónica con una matriz de orificios de sublongitud de onda" o PlaCSH. Las fotos de la superficie de las células solares PlaCSH demuestran este efecto de absorción de luz:bajo la luz solar, una celda de energía solar estándar se ve teñida de color debido a la luz que se refleja en su superficie, pero el PlaCSH se ve de un negro profundo debido al reflejo de luz extremadamente bajo.
Los investigadores esperaban un aumento en la eficiencia de la técnica, "pero claramente el aumento que encontramos superó nuestras expectativas, "Dijo Chou.
Chou y el estudiante de posgrado Wei Ding informaron sus hallazgos en la revista. Óptica Express , publicado en línea el 28 de noviembre de 2012. Su trabajo fue apoyado en parte por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, la Oficina de Investigaciones Navales y la Fundación Nacional de Ciencias.
Los investigadores dijeron que las células solares PlaCSH se pueden fabricar de manera rentable en hojas del tamaño de un papel tapiz. El laboratorio de Chou utilizó "nanoimpresión, "una técnica de nanofabricación de bajo costo que Chou inventó hace 16 años, que graba nanoestructuras en un área grande, como imprimir un periódico.
Además del diseño innovador, el trabajo consistió en optimizar el sistema. Obtener la estructura exactamente correcta "es fundamental para lograr una alta eficiencia, "dijo Ding, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica.
Chou dijo que el desarrollo podría tener varias aplicaciones dependiendo del tipo de colector solar. En esta serie de experimentos, Chou y Ding trabajaron con células solares hechas de plástico, llamadas células solares orgánicas. El plástico es barato y maleable y la tecnología es muy prometedora. pero su uso comercial ha sido limitado debido a la baja eficiencia de las células solares orgánicas.
Además de un impulso directo a la eficiencia de las células, la nueva película metálica nanoestructurada también reemplaza al electrodo ITO actual que es la parte más cara de la mayoría de las células solares orgánicas actuales.
"PlaCSH también es extremadamente flexible, "Dijo Chou." La propiedad mecánica de ITO es como el vidrio; es muy frágil ".
