La clave para crear un material que sería ideal para convertir la energía solar en calor es ajustar el espectro de absorción del material a la perfección:debería absorber prácticamente todas las longitudes de onda de luz que llegan a la superficie de la Tierra desde el sol, pero no gran parte del resto del espectro, ya que eso aumentaría la energía que vuelve a irradiar el material, y por lo tanto perdido en el proceso de conversión.

Ahora, los investigadores del MIT dicen que han logrado el desarrollo de un material que se acerca mucho al "ideal" para la absorción solar. El material es un cristal fotónico dieléctrico metálico bidimensional, y tiene los beneficios adicionales de absorber la luz solar desde una amplia gama de ángulos y soportar temperaturas extremadamente altas. Quizás lo más importante el material también se puede fabricar de forma económica a gran escala.

La creación de este material se describe en un artículo publicado en la revista Materiales avanzados , coautor del postdoctorado del MIT Jeffrey Chou, profesores Marin Soljacic, Nicolás Fang, Evelyn Wang, y Sang-Gook Kim, y otros cinco.

El material funciona como parte de un dispositivo solar-termofotovoltaico (STPV):la energía de la luz solar se convierte primero en calor, que luego hace que el material brille, emitiendo luz que puede, Sucesivamente, convertirse en corriente eléctrica.

Algunos miembros del equipo trabajaron en un dispositivo STPV anterior que tomó la forma de cavidades huecas, explica Chou, del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, quién es el autor principal del artículo. "Estaban vacíos, había aire adentro, ", dice." Nadie había intentado poner un material dieléctrico dentro, así que lo probamos y vimos algunas propiedades interesantes ".

Al aprovechar la energía solar, "quieres atraparlo y mantenerlo allí, "Chou dice; obtener el espectro correcto tanto de absorción como de emisión es esencial para un desempeño eficiente de STPV.

La mayor parte de la energía del sol nos llega dentro de una banda específica de longitudes de onda, Chou explica, que van desde el ultravioleta hasta la luz visible y el infrarrojo cercano. "Es una ventana muy específica en la que quieres absorber, ", dice." Construimos esta estructura, y descubrió que tenía un espectro de absorción muy bueno, justo lo que queríamos ".

Además, las características de absorción se pueden controlar con gran precisión:el material está hecho de una colección de nanocavidades, y "puedes ajustar la absorción con solo cambiar el tamaño de las nanocavidades, "Dice Chou.

Otra característica clave del nuevo material, Chou dice, es que se adapta bien a la tecnología de fabricación existente. "Este es el primer dispositivo de este tipo que se puede fabricar con un método basado en ... técnicas actuales, lo que significa que se puede fabricar en escamas de obleas de silicio, "Chou dice:hasta 12 pulgadas de lado. Las demostraciones de laboratorio anteriores de sistemas similares solo podían producir dispositivos de unos pocos centímetros de lado con sustratos metálicos costosos, por lo que no eran adecuados para escalar a la producción comercial, él dice.

Para aprovechar al máximo los sistemas que concentran la luz solar mediante espejos, el material debe poder sobrevivir indemne a temperaturas muy altas, Dice Chou. El nuevo material ya ha demostrado que puede soportar una temperatura de 1, 000 grados Celsius (1, 832 grados Fahrenheit) por un período de 24 horas sin degradación severa.

Y dado que el nuevo material puede absorber la luz solar de manera eficiente desde una amplia gama de ángulos, Chou dice, "Realmente no necesitamos seguidores solares", lo que aumentaría enormemente la complejidad y el gasto de un sistema de energía solar.

"Este es el primer dispositivo que puede hacer todas estas cosas al mismo tiempo, ", Dice Chou." Tiene todas estas propiedades ideales ".

Si bien el equipo ha demostrado dispositivos que funcionan utilizando una formulación que incluye un metal relativamente caro, rutenio, "somos muy flexibles con los materiales, "Chou dice". En teoría, se puede utilizar cualquier metal que pueda sobrevivir a estas altas temperaturas ".

"Este trabajo muestra el potencial tanto de la ingeniería fotónica como de la ciencia de los materiales para avanzar en la recolección de energía solar, "dice Paul Braun, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, que no participó en esta investigación. "En este papel, los autores demostraron, en un sistema diseñado para soportar altas temperaturas, la ingeniería de las propiedades ópticas de un potencial absorbente termofotovoltaico solar para que coincida con el espectro del sol. Por supuesto, queda mucho trabajo por hacer para realizar una célula solar práctica, sin embargo, el trabajo aquí es uno de los pasos más importantes en ese proceso ".

El grupo ahora está trabajando para optimizar el sistema con metales alternativos. Chou espera que el sistema pueda convertirse en un producto comercialmente viable en cinco años. Está trabajando con Kim en las aplicaciones de este proyecto.

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.