¿COMO AUMENTAR LA POTENCIA DE LOS PANELES SOLARES?

Intentando reducir aún más el coste de la energía solar, Bandgap Engineering, en Estados Unidos, está desarrollando una célula solar basada en nanohilos que podría generar el doble de energía que las células solares convencionales.

Es un proyecto a largo plazo, pero por ahora la empresa está a punto de comercializar una versión más sencilla de la tecnología, usando nanohilos de silicio capaces de mejorar el rendimiento y reducir el coste de las células solares de silicio convencionales. Bandgap afirma que sus nanohilos, que se pueden producir usando herramientas de fabricación ya existentes, aumentan la producción energética al aumentar la cantidad de luz que pueden absorber las células solares.

Ahora mismo la mayoría de los fabricantes de paneles solares no están construyendo nuevas fábricas, porque el mercado para su producto está saturado. Pero si las condiciones del mercado mejoran y los fabricantes empiezan a construir, podrán introducir grandes cambios en las líneas de producción. En ese caso la tecnología de Bandgap serviría para que el cambio en las células solares fuera más significativo. Aumentar la absorción de luz permitiría, por ejemplo, que los fabricantes usaran obleas de silicio mucho más finas, abaratando así la partida que supone el coste mayor en la fabricación de una célula solar. También permitirá a los fabricantes usar alambres de cobre para recoger la carga de los paneles solares, en vez de los de plata que son más caros.

Estos cambios podrían conducir a paneles solares que convierten un 20 por ciento de la energía del sol en electricidad (en comparación con el 15 por ciento que logran la mayoría de las células solares actualmente) y además que su producción e instalación costara solo un dólar (unos 77 céntimos de euro) por vatio, afirma el director ejecutivo de Bandgap, Richard Chleboski. (En la actualidad la instalación cuesta algunos dólares por vatio, dependiendo del tamaño y del tipo que sean los paneles). A lo largo de la vida activa del sistema, los costes bajarían hasta unos 6-10 centavos de dólar por kilovatio hora (unos 4-8 céntimos de euro). Eso sigue siendo más caro que el coste de la energía generada por gas natural en Estados Unidos, que cuesta unos 4 centavos de dólar por kilovatio hora (unos 3 céntimos de euro), pero es lo suficientemente barato como para asegurar un mercado sustancial a la energía solar en muchas partes del mundo donde los costes energéticos son más altos, o incluso en determinados nichos de mercado en Estados Unidos.

Al mismo tiempo, Bandgap está creando una tecnología que podría llegar algún día a mejorar la eficiencia de las células lo suficiente como para que la energía solar compitiera de forma generalizada con los combustibles fósiles. Si doblan la eficiencia de las células solares sin aumentar demasiado los costes de fabricación, estarían abaratando sustancialmente el coste por vatio de los paneles solares y se reduce a la mitad el coste de instalación, el mayor gasto en la energía solar en la actualidad, al hacer que sea posible conseguir la misma cantidad de energía de la mitad de células.

Tanto las células que Bandgap está a punto de presentar como las células que espera producir a largo plazo están basadas en la idea de minimizar la pérdida energética que se produce cuando la luz atraviesa una célula solar sin ser absorbida o cuando determinadas longitudes de onda de luz se absorben pero no tienen suficiente energía para desplazar los electrones y generar electricidad (esa energía se malgasta como calor). En una célula solar convencional, al menos dos terceras partes de la energía de la luz del sol se malgastan y normalmente mucho más.

La tecnología actual de la empresa aprovecha el hecho de que cuando la luz se encuentra con los nanohilos se refracta de tal forma que rebota dentro de la célula solar en vez de atravesarla o salir disparada. Eso aumenta las posibilidades de que se absorba.

Pero lo que Bandgap quiere hacer en última instancia es cambiar la forma en que se convierte la luz en electricidad dentro de la célula. Si los nanohilos se pueden hacer lo suficientemente uniformes, y si se pueden formar de tal manera que sus átomos se alineen en determinados planos, las diminutas estructuras podrían cambiar las propiedades electrónicas del silicio. Estos cambios permitirían a las células solares generar electricidad con luz de baja energía que normalmente solo produce calor, explica Marcie Black, fundadora de la empresa y directora de tecnología. “Esto se lograría, en parte, proporcionando una forma de combinar energía de más de un fotón de luz de baja energía”

Esta tecnología puede tardar aún muchos años en desarrollarse. Para empezar, requiere un control muy preciso sobre las propiedades de cada uno de los millones de nanohilos, además, las técnicas necesarias para fabricar las células solares pueden no ser lo suficientemente baratas o fiables como para producirlas a gran escala. Pero este tipo de células solares podría, en teoría, convertir el 60 por ciento de la energía de la luz del sol en electricidad. Eso es algo que será difícil lograr en la práctica, así que el objetivo de la empresa es un más modesto 38 por ciento de eficiencia, que sigue siendo más del doble que la eficiencia de las células de silicio que se fabrican en la actualidad.

Los investigadores también están siguiendo otros enfoques para producir células solares ultraeficientes, como por ejemplo usar puntos cuánticos o combinar distintos tipos de materiales (ver “Unos nuevos materiales mejoran las células fotovoltaicas”). Sin embargo, la tecnología de nanohilos podría ser más sencilla. “En teoría el método tiene muchas ventajas potenciales, pero hay que lograr que funcione”, afirma Andrew Norman, investigador senior del Laboratorio Nacional de Energías Renovables, cuya sede está en Golden, Colorado (EE.UU.). Bandgap no ha construido aún células usando el método que está desarrollando para largo plazo, pero ha dado pasos indirectos demostrando que sus nanohilos son capaces de cambiar las propiedades electrónicas del silicio. “Seguimos en fase de investigación”, afirma Black.

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PUNTOS CUÁNTICOS AUMENTAN RENDIMIENTO DE CÉLULAS SOLARES.

Una nueva forma de extender la vida útil de los portadores de carga en las células solares ha sido revelada por los investigadores en España. La técnica implica la creación de un agregado de dos tipos diferentes de puntos cuánticos, que pueden ser realizados utilizando bajo costo de procesamiento de solución-técnicas. Según los investigadores, el método podría utilizarse para aumentar el rendimiento de células solares – incluso aquellos basados en materiales fotovoltaicos que tienen propiedades optoelectrónicas relativamente pobres.
Solución transformados-células solares inorgánicos se hacen depositando capas de puntos cuánticos – piezas diminutas de semiconductores-en suspensión coloidal. Los dispositivos han demostrado ser prometedores mucho, ya que pueden absorber la luz sobre un amplio espectro de longitudes de onda. Este es un resultado del hecho de que los huecos de la banda electrónicos en un punto cuántico puede ser sintonizado sobre un rango de energía grande, simplemente cambiando el tamaño del punto. También son relativamente baratos de producir.
Sin embargo, sólo un número limitado de materiales han sido explotados en este tipo de célula solar. Cuando la luz es absorbida por una célula solar que libera pares de portadores de carga (electrones y huecos), que deben soportar durante un tiempo suficientemente largo para viajar a través del dispositivo a donde puede llegar a ser una corriente eléctrica útil. El problema es que sólo un puñado de materiales – dos ejemplos comunes son los puntos cuánticos de plomo o cadmio-basado – tienen una vida útil de transporte que sean lo suficientemente largos.
Evitar los elementos tóxicos
“Sin embargo, el plomo y el cadmio-basados en puntos cuánticos se basan en elementos tóxicos, por lo que nosotros, los investigadores están buscando activamente otros materiales, más seguros, incluso si sus propiedades optoelectrónicas son más pobres – pero entonces necesitamos una estructura del dispositivo para adaptarse a ellos de una manera útil manera “, explica Gerasimos Konstantatos del Institut de Ciències Fotoniques en Barcelona, quien dirigió esta última investigación.
Konstantatos equipo creó un “bulto de nano-heterounión” en un dispositivo de célula solar que consta de tipo p y los semiconductores de tipo n. Los dos materiales se mezclan de tal manera que, cuando se expone a la luz solar, fotogenerada pares electrón-hueco fueron capaces de separar en la nanoescala y los viajes a lo largo del dispositivo a través de dos caminos muy diferentes, algo que reduce las posibilidades de que recombinar.
El dispositivo constaba de un nanocompuesto que comprende una mezcla de p-tipo PBS puntos cuánticos y de tipo n Bi 2 de Si 3 puntos cuánticos (ver figura). Esta mezcla se intercala entre una capa de puros Bi 2 de Si 3 puntos cuánticos – que transporta electrones y los huecos bloques – y una capa de PbS puntos cuánticos, que tiene las propiedades de transporte opuestas. Para determinar la eficacia relativa de la capa de mezcla, el equipo también “dispositivos de doble capa” con una unión abrupta entre los dos tipos de puntos cuánticos. Konstantatos y sus colegas encontraron que la eficiencia energética de conversión de la mayor parte de nano-dispositivos de heterounión se encontró que alrededor del 4,8%, un valor que es tres veces mayor que los dispositivos de doble capa con uniones fuertes.
Vida útil más larga
Para calcular la razón de esta mejora de la eficiencia, el miembro del equipo de Arup Rath y sus colegas comenzaron a medir los tiempos de vida de los portadores de carga en los dispositivos, mientras que la exposición de las células a diferentes intensidades ópticas. Aunque ambos dispositivos presentan una larga vida útil en la baja intensidad de luz, a altas intensidades similares a la luz solar, el dispositivo contiene operadores con cortos tiempos de vida, porque de electrones y agujeros se combinan a un ritmo más rápido aquí. Los portadores en la mayor parte de nano-heterounión dispositivo, por otro lado, parece que durar tres veces más largo que en la estructura bicapa desde los electrones y los huecos se recombinan en una tasa significativamente más lenta.
“A pesar de la eficiencia energética de la conversión de nuestras células es todavía un poco más bajo que los dispositivos de registro de eficiencia basados en puntos cuánticos de PbS y electrodos de óxido de titanio de tipo n, que demuestra la prueba de principio”, dice Konstantatos. “Lo que es más, a diferencia de estudios anteriores que se basaban en cualquiera de farfulló electrones de óxido-aceptantes o sinterización de alta temperatura a 500 ° C, nuestra técnica funciona con una solución totalmente basada en procesos y en las bajas temperaturas de menos de 100 ° C – no ventajas insignificantes para el bajo costo de rollo a rollo de fabricación, por ejemplo”.
Los resultados se describen en la revista Nature Photonics .

CELULAS SOLARES ESFERICAS

Células Solares Esféricas

Unas nuevas células solares con forma esférica y tamaño diminuto (entre 1 y 1.5 mm de diámetro) podrían suponer una importante revolución en la expansión de la energía solar fotovoltaica.

Sphelar®, que así se llama el producto desarrollado por la empresa japonesa Kyosemi, consiste en una matriz de pequeñas células solares esféricas capaces de absorber la radiación solar con cualquier ángulo, pudiendo aprovechar tanto la radiación reflejada como la difusa, además de no requerir el uso de seguidores para maximizar la producción. El grado de eficiencia de éstas células es superior al de las células de silicio convencionales planas, llegando a un rendimiento del 20%.

La disposición de las células en un medio flexible y transparente, como se muestra en la fotografía, amplía el campo de aplicaciones para la energía solar fotovoltaica, como la posibilidad de incorporarlas en pequeños aparatos electrónicos o convertir grandes superficies acristaladas como generadores de electricidad.

Según la empresa, los costos de producción se reducen a la mitad, comparándolo con la fabricación de las células de silicio convencionales, ya que el silicio empleado se aprovecha eficientemente tanto en la fabricación de las células como en la producción posterior de energía.

El concepto de Sphelar, es una tecnología fotovoltaica basada en silicio a partir de pequeñas células solares esféricas, de 1.5mm de diámetro.

La gran ventaja de esta micro célula es que, a diferencia de las células planas convencionales, tiene la capacidad de generar energía con una mayor eficiencia (cercana al 20%), gracias a que captura la luz solar en cualquier dirección.

A la compañía que la ha desarrollado (Kyosemi) ya le ha dado tiempo de crear diferentes series de EIPV, que viene a ser algo así como “electrónica fotovoltaica integrada”, nos referimos a productos compactos para obtener energía en infinidad de aplicaciones. Ahora mismo ofrece una serie de 4 ideas diferentes de baja potencia:
Kyosemi además ha creado paneles transparentes que incorporan una matriz incrustada de estas células solares, con capacidad para
generar electricidad desde ambas caras, incluso en hojas flexibles que pueden curvarse.

Referencias:
Spherical photovoltaic solar cells – Kyosemi Corporation