Un nuevo enfoque para aprovechar la energía solar, desarrollado por investigadores del MIT, podría mejorar la eficiencia utilizando la luz solar para calentar un material de alta temperatura cuya radiación infrarroja sería luego recogida por una célula fotovoltaica convencional. Esta técnica también podría facilitar el almacenamiento de energía para su uso posterior. dicen los investigadores.

En este caso, agregar el paso adicional mejora el rendimiento, porque permite aprovechar las longitudes de onda de la luz que normalmente se desperdician. El proceso se describe en un artículo publicado esta semana en la revista Nanotecnología de la naturaleza , escrito por el estudiante de posgrado Andrej Lenert, profesora asociada de ingeniería mecánica Evelyn Wang, el profesor de física Marin Soljačić, el científico investigador principal Ivan Celanović, y otros tres.

Una célula solar convencional basada en silicio "no aprovecha todos los fotones, Wang explica. Eso es porque convertir la energía de un fotón en electricidad requiere que el nivel de energía del fotón coincida con el de una característica del material fotovoltaico (PV) llamado banda prohibida. La banda prohibida del silicio responde a muchas longitudes de onda de luz, pero echa de menos a muchos otros.

Para abordar esa limitación, el equipo insertó un dispositivo absorbente-emisor de dos capas, fabricado con materiales novedosos que incluyen nanotubos de carbono y cristales fotónicos, entre la luz solar y la célula fotovoltaica. Este material intermedio recoge energía de un amplio espectro de luz solar, calentando en el proceso. Cuando se calienta como con un trozo de hierro al rojo vivo, emite luz de una longitud de onda particular, que en este caso está sintonizado para coincidir con la banda prohibida de la celda fotovoltaica montada cerca.

Este concepto básico se ha explorado durante varios años, dado que, en teoría, tales sistemas solares termofotovoltaicos (STPV) podrían proporcionar una forma de eludir un límite teórico en la eficiencia de conversión de energía de los dispositivos fotovoltaicos basados ​​en semiconductores. Ese límite llamado el límite Shockley-Queisser, impone un límite del 33,7 por ciento a dicha eficiencia, pero Wang dice que con los sistemas TPV, "la eficiencia sería significativamente mayor, idealmente podría ser superior al 80 por ciento".

Ha habido muchos obstáculos prácticos para realizar ese potencial; los experimentos anteriores no han podido producir un dispositivo STPV con una eficiencia superior al 1 por ciento. Pero Lenert, Wang, y su equipo ya ha producido un dispositivo de prueba inicial con una eficiencia medida del 3,2 por ciento, y dicen que con más trabajo esperan poder alcanzar el 20 por ciento de eficiencia, suficiente, ellos dicen, para un producto comercialmente viable.

El diseño del material absorbente-emisor de dos capas es clave para esta mejora. Su capa exterior, frente a la luz del sol, es una matriz de nanotubos de carbono de paredes múltiples, que absorbe muy eficientemente la energía de la luz y la convierte en calor. Esta capa está unida firmemente a una capa de cristal fotónico, que está diseñado con precisión para que cuando sea calentado por la capa adjunta de nanotubos, "brilla" con luz cuya intensidad máxima se encuentra principalmente por encima de la banda prohibida del PV adyacente, asegurando que la mayor parte de la energía recolectada por el absorbedor se convierta en electricidad.

En sus experimentos, los investigadores utilizaron luz solar simulada, y descubrió que su eficiencia máxima se produjo cuando su intensidad era equivalente a un sistema de enfoque que concentra la luz solar en un factor de 750. Esta luz calentó el absorbedor-emisor a una temperatura de 962 grados Celsius.

Este nivel de concentración ya es mucho más bajo que en intentos anteriores de sistemas STPV, que concentra la luz solar por un factor de varios miles. Pero los investigadores del MIT dicen que después de una mayor optimización, Debería ser posible obtener el mismo tipo de mejora con concentraciones de luz solar aún más bajas, facilitando el funcionamiento de los sistemas.

Tal sistema, el equipo dice, combina las ventajas de los sistemas solares fotovoltaicos, que convierten la luz solar directamente en electricidad, y sistemas solares térmicos, lo que puede tener una ventaja para el uso retardado porque el calor se puede almacenar más fácilmente que la electricidad. Los nuevos sistemas termofotovoltaicos solares, ellos dicen, podría proporcionar eficiencia debido a su absorción de luz solar de banda ancha; escalabilidad y compacidad, porque se basan en la tecnología de fabricación de chips existente; y facilidad de almacenamiento de energía, debido a su dependencia del calor.

Algunas de las formas de mejorar aún más el sistema son bastante sencillas. Desde la etapa intermedia del sistema, el absorbedor-emisor, depende de las altas temperaturas, su tamaño es crucial:cuanto más grande es un objeto, la menor superficie tiene en relación a su volumen, por lo que las pérdidas de calor disminuyen rápidamente al aumentar el tamaño. Las pruebas iniciales se realizaron en un chip de 1 centímetro, pero las pruebas de seguimiento se realizarán con un chip de 10 centímetros, ellos dicen.