TELAS SOLARES FLEXIBLES DE SILICONA

tejido solarPor primera vez, una fibra óptica basada en silicio con capacidades de células solares ha sido desarrollada. La investigación abre la puerta a la posibilidad de tejer hilos de células solares de silicio para crear telas solares flexibles, curvas, o trenzadas. Los hallazgos son de un equipo internacional de químicos, físicos e ingenieros, liderados por John Badding, profesor de química en la Universidad de Penn State. Los nuevos hallaszgos se basan en trabajos anteriores al afrontar el reto de la fusión de las fibras ópticas con chips electrónicos – circuitos integrados basados en silicio que funcionan como bloques de construcción para la mayoría de dispositivos electrónicos semiconductores como células solares, ordenadores y teléfonos móviles. En lugar de combinar un chip plana con una fibra óptica ronda, el equipo encontró una manera de construir un nuevo tipo de fibra óptica – que es más delgado que el grosor de un cabello humano. Para ello, utilizaron técnicas de química de alta presión para depositar materiales semiconductores directamente, capa por capa, en los agujeros minúsculos en las fibras ópticas. En la nueva investigación, han utilizado las técnicas de química de alta presión para hacer una fibra a partir de materiales semiconductores de silicio cristalino que puede funcionar como una célula solar – un dispositivo fotovoltaico que puede generar energía eléctrica mediante la conversión de la radiación solar en electricidad de corriente continua.  Este tipo de tejido tendria una amplia gama de aplicaciones, tales como la generación de energía, la carga de la batería, detección química, y dispositivos biomédicos.

Fuente:  Penn State Sciencie

Anuncios

DIVIDIR LA LUZ EN SUS COLORES PARA EFICIENTAR LOS PANELES SOLARES

Descomposicion de espectro-solar
Aunque has podido observar que mayoría de los productos de la tecnología moderna son cada vez más rápidos, más eficientes y sobre todo, asequibles, te habrás dado cuenta no pasa exactamente lo mismo con los paneles solares, los cuales en su mayoría solo logran una eficiencia del 20 por ciento y siguen siendo un medio caro para producir energía renovable. Luchando contra éste problema, los investigadores el mundo siguen avanzando con la tecnología que ayuda a que la electricidad solar sea asequible y eficiente.
Para que dividir la luz solar en colores
Se informó acerca de las células solares de NREL y Junction Solar, que afirma que son las más eficientes del mundo al alcanzar hasta un 44 por ciento en la escala de eficiencia, y hoy te damos otro dato de una investigación en la misma línea, que tiene como objetivo superar esto, con paneles solares que tengan hasta un 50 por ciento de eficiencia. Es un proyecto, financiado por DARPA, que pretende hacer uso de nanomateriales para dividir la luz del sol en sus colores constituyentes y luego usar materiales solares especialmente diseñados para cosechar un color específico.
Treehugger establece que, para los últimos años los científicos han estado tratando de manipular la luz a pequeña escala para clasificarla por colores, que luego pueden ser atrapados y guiados a un lugar con capas delgadas de materiales. Si bien esta tecnología hace el mismo trabajo, el problema surge cuando la tecnología se amplía. La nueva investigación nos asegura de que las células solares con la división del nanomaterial, alcanzará una eficiencia de hasta el 50 por ciento, incluso a gran escala, al menos en teoría. Aunque la tecnología todavía está en su infancia y que podría llevar años, si no es que décadas, para llegar a un nivel comercial, esto podría permitir que se produjeran paneles solares a precios competitivos y así reducir el costo de la producción de la electricidad solar.
Estaremos atentos a los avances para que todos podamos tener acceso a la electricidad limpia.

PRIMERA CELULA SOLAR DE SILICIO COMPLETAMENTE NEGRA

celda-solar-negraLas células solares convencionales son de color azul y tienen un grado de reflectividad unido con él también, lo que significa que una parte de la luz del sol que golpea el panel, simplemente refleja de nuevo sin que se transforma en electricidad. Para resolver el problema los investigadores de Natcore Technology han llegado con la primera célula solar de silicio completamente negra comercialmente viable, que prácticamente puede convertir el 100 por ciento de la luz solar recibida en electricidad.

La célula solar se basa en el uso de obleas de silicio absolutamente negras, que tienen casi cero reflectividad. Siendo sólo un componente de una célula solar, la oblea no genera electricidad por su cuenta. Para hacerla producir energía renovable, Natcore ha unido fuerzas con National Renewable Energy Laboratory para crear células solares de silicio negro eficientes.

La tecnología absoluto-negro utiliza un proceso químico en lugar de un costoso proceso térmico para alcanzar cerca de cero reflectividad. Con una reducción de diez veces en la reflectividad, las células solares pueden incrementar la eficiencia hasta en un 3 por ciento. Además, la tecnología también ayuda a reducir el costo de las células solares producidas.

¿SI USO ENERGÍA SOLAR TENGO QUE REDUCIR MI CONSUMO DE ENERGÍA?

No necesariamente, cuando se utiliza energía solar no es indispensable reducir el consumo de energía. Las células solares son muy eficientes y muchas personas utilizan la energía solar prácticamente en todos los aparatos eléctricos.

Normalmente cuando se instalan paneles solares en los hogares, se sigue conectado a la red eléctrica, por lo que el suministro de energía se realiza mediante una combinación de la energía renovable generada por los paneles solares, y el suministro de energía convencional.
Si bien, de esta manera se sigue utilizando la energía derivada de los combustibles fósiles, el consumo se realiza en menor medida.

CIENTÍFICOS CONSIGUEN ATRAPAR Y MANIPULAR LA LUZ USANDO GRAFENO

El logro demuestra que esta alotropía del carbono puede servir para el procesamiento de información óptica 

Un equipo de científicos de instituciones españolas ha logrado confinar la luz a escala nanométrica (con un espesor de tan solo un átomo) en grafeno. El logro confirma las predicciones teóricas sobre las propiedades de esta alotropía del carbono para procesar información óptica y para la detección ultra-sensible. La nueva técnica podría tener aplicaciones en diversas áreas, como la medicina, la biodetección, las células solares y los sensores de luz, así como los procesadores de información cuántica.
Representación artística del grafeno. Fuente: Wikimedia Commons. Equipos españoles de investigación han logrado visualizar por primera vez luz guiada con precisión nanométrica en grafeno, en una capa de átomos de carbono con un espesor de tan solo un átomo.
Esta visualización prueba lo que físicos teóricos habían predicho desde hace tiempo: que es posible atrapar y manipular luz de manera muy eficiente usando grafeno como una nueva plataforma para procesar información óptica y de detección ultra-sensible.
El estudio, que pública esta semana la revista Nature, ha sido posible gracias a las sinergias establecidas entre el Instituto de Química-Física Rocasolano (IQFR-CSIC) de Madrid, el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona y nanoGUNE, en San Sebastián.
Hasta ahora, se habían predicho propiedades ópticas de interés del grafeno cuando la luz se acopla a los denominados plasmones (oscilaciones de naturaleza ondulatoria del “mar” de electrones de conducción en el grafeno).
Sin embargo, no se había obtenido evidencia experimental directa de estos plasmones.
La razón es que su longitud de onda, el ‘tamaño’ de los plasmones del grafeno, es entre 10 y 100 veces menor de lo que permiten observar los microscopios ópticos convencionales.
Los investigadores han conseguido mostrar las primeras imágenes experimentales de plasmones en grafeno.
Para ello, los autores del estudio utilizaron microscopio ‘de campo cercano’ en el que una punta muy afilada convierte un haz de luz con el que se irradia en un foco de luz de tamaño nanométrico para proporcionar el momento (‘empuje’) necesario para crearlos.
Al mismo tiempo, la punta es sensible a la presencia de estas oscilaciones. Rainer Hillenbrand, líder del grupo de nanoGUNE, comenta: “¡Ver es creer! Nuestras imágenes ópticas de campo cercano prueban definitivamente la existencia de plasmones localizados y en movimiento en grafeno, y permiten una medida directa de su dramática reducción en longitud de onda.”

Estos plasmones se pueden utilizar para controlar luz eléctricamente, de manera similar a lo que tradicionalmente se consigue con electrones en un transistor.
Estas aplicaciones, que hasta ahora eran imposibles con los plasmones que existen en otros materiales, hacen viables los conmutadores ópticos eficientes de tamaño nanométrico, que permitirán realizar cálculos mediante luz en lugar de electricidad.
“Con nuestro trabajo hemos mostrado que el grafeno es una opción excelente para resolver importantes problemas tecnológicos relacionados con la modulación de luz a la velocidad de los microchips actuales,” comenta Javier García de Abajo, líder del grupo del IQFR-CSIC.
Además, esta capacidad para atrapar luz en volúmenes extraordinariamente pequeños podría alumbrar una nueva generación de nano-sensores con aplicaciones en diversas áreas, tales como medicina, biodetección, células solares y sensores de luz, así como procesadores de información cuántica.
Este resultado abre literalmente un nuevo campo de investigación y proporciona un camino viable para sintonizar luz de manera ultra-rápida, algo que no era posible hasta ahora.
Frank Koppends, líder del grupo del ICFO, lo resume así: “El grafeno es un material único y novedoso para los plasmones, un verdadero puente entre los campos de la nano-electrónica y la nano-óptica”.

NANOCABLES PARA CÉLULAS SOLARES DE NITRURO DE GALIO E INDIO

Una de las metas de los investigadores que buscan nuevos modos de mejorar la generación de electricidad por medios fotovoltaicos es convertir en electricidad tantas longitudes de onda de la luz solar como sea posible, para lograr la máxima eficiencia, aprovechando así mejor el espacio destinado a paneles solares, ya que los sistemas fotovoltaicos tradicionales sólo usan una pequeña banda de la energía irradiada por el Sol.
Por esta razón, bastantes de estos científicos ven al nitruro de galio e indio como un valioso material para los sistemas fotovoltaicos del futuro. Cambiar la concentración de indio les permite a los investigadores adecuar la respuesta del material para que recolecte la energía solar en diversas longitudes de onda. Cuantas más variaciones se diseñen en el sistema, mayor es la porción del espectro solar que el sistema puede absorber, llevando esto a un incremento de la eficiencia de las células solares. Actualmente, el silicio es el material estándar de la industria fotovoltaica, pero está limitado a la banda de las longitudes de onda que puede “ver” y absorber.
El nitruro de galio e indio sería un buen sustituto, pero hay un problema: Normalmente es producido mediante su formación sobre películas delgadas de nitruro de galio. Como las capas atómicas de nitruro de galio tienen espaciados de retícula cristalina que son distintos a los de las capas atómicas del nitruro de galio e indio, esa discordancia hace aparecer tensiones estructurales que limitan tanto el espesor de la capa como el porcentaje de indio que puede ser agregado. Así, al aumentar el porcentaje de indio agregado se ensancha la banda del espectro solar que puede ser recolectada pero se reduce la capacidad del material para tolerar la tensión estructural.
Jonathan Wierer Jr. y George Wang, de los Laboratorios Nacionales estadounidenses de Sandía, en Nuevo México y California, han comprobado que si a la mezcla de indio se la hace formarse y crecer sobre un conjunto de nanocables dispuestos del modo adecuado, en vez de sobre una superficie plana, las pequeñas áreas superficiales de los nanocables permiten que el estrato de indio del fondo se “relaje” parcialmente a lo largo de cada cable, reduciéndose así la tensión estructural.
Esta relajación ha permitido al equipo crear una célula solar con porcentajes de indio de aproximadamente el 33 por ciento, superior al logrado en cualquier otro intento de crear células solares de esa clase del que se tenga noticia.

CONFIGURACION DE PANELES SOLARES EN VARIOS NIVELES

Los acontecimientos de los últimos años relacionados con el cambio climático, y el encarecimiento imparable de las fuentes convencionales de energía, han conducido a los científicos y a los ingenieros hacia investigaciones intensivas orientadas a mejorar la calidad de las células solares fotovoltaicas y abaratar su costo.
Sin embargo se ha prestado poca atención a determinar cuál es la forma más ventajosa de colocar esas células, las cuales siempre se ubican en una lámina plana sobre un tejado u otras superficies, y a veces se sustentan sobre un soporte móvil que automáticamente se orienta para apuntar los paneles hacia el Sol en su recorrido diario por el cielo.
Ahora, un equipo de investigadores del MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts) ha propuesto un enfoque muy diferente: construir cubos o torres que ubiquen las células solares en configuraciones tridimensionales. Aunque resulte increíble, los resultados de los experimentos realizados con algunas configuraciones revelan, en las estructuras probadas, una producción eléctrica de entre el doble y 20 veces la de un panel plano convencional, a igual área de la superficie de apoyo.
Los mejores niveles de eficiencia se obtuvieron justo en las situaciones donde son más necesarias las innovaciones: en las latitudes alejadas del ecuador, en los meses invernales y en los días más nublados. Los nuevos resultados se basan tanto en modelos digitales como en prototipos reales probados al aire libre.
Estas técnicas podrían convertirse en un componente fundamental de los sistemas futuros de energía solar fotovoltaica.
El equipo de Jeffrey Grossman, Marco Bernardi y Nicola Ferralis usó inicialmente un algoritmo informático para explorar una variedad enorme de posibles configuraciones, y desarrolló un software analítico que puede poner a prueba mediante simulaciones digitales cualquier configuración especificada, bajo una amplia gama de latitudes, estaciones del año y condiciones climáticas. Después, para confirmar las predicciones de su modelo, el equipo construyó y sometió a pruebas durante varias semanas tres configuraciones diferentes de células solares en el tejado de un laboratorio del MIT.
Aunque el costo de una determinada cantidad de energía obtenida por tales paneles tridimensionales excede actualmente al de los paneles planos convencionales, el gasto es parcialmente compensado por un rendimiento muy superior para un mismo espacio de uso, y por una distribución más uniforme de su rendimiento a lo largo del día, al igual que para distintas estaciones del año y frente al oscurecimiento producido por las nubes o las sombras de otros objetos. Estas mejoras hacen que el rendimiento energético sea más predecible y uniforme, lo cual permitiría la conexión con la red de suministro eléctrico sin tener que afrontar tantas dificultades como sucede con los sistemas convencionales.
El fundamento científico de la gran mejora de la eficiencia en estas estructuras solares, que logra una mayor uniformidad ante diferentes situaciones, es que las superficies verticales que se incluyen en estos conjuntos de varios niveles pueden recolectar más luz solar durante los inviernos, las primeras horas de la mañana y las últimas de la tarde, cuando el Sol está más próximo al horizonte.
Amazings / NCYT.

FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LAS CÉLULAS SOLARES

Fundamentos fisicos de las células solares
• Los materiales
Ciertos materiales de las celdas de energía solar, denominados semiconductores tienen sus electrones de valencia ligados a los átomos con energías muy semejantes a las de los fotones que constituyen la luz solar. Cuando ésta incide sobre el semiconductor sus fotones rompen los enlaces y los electrones de valencia quedan libres para circular por el semiconductor. Algo análogo ocurre también con el enlace roto, llamado “huecos”, que saltando de un átomo a otro puede también moverse con cierta libertad.
Estos electrones libres (negativos) y estos huecos (positivos), creados en los puntos donde hay iluminación, tienden a difundirse hacia las regiones oscuras y por lo tanto con menos densidad de ellos. Sin embargo, al moverse ambas partículas en el mismo sentido no dan lugar a corriente eléctrica, y antes o después se recombinan restableciendo el enlace roto. No obstante, si en algún lugar próximo a la región donde estas parejas de electrones y huecos han sido creados recombinan restableciendo el enlace roto. No obstante, si en algún lugar próximo a la región donde estas parejas de electrones y huecos han sido creados recombinan restableciendo el enlace roto. No obstante, si en algún lugar próximo a la región donde estas parejas de electrones y huecos han sido creadas, se crea un campo eléctrico en el interior del semiconductor, este campo separa a los electrones de los huecos, haciendo que cada uno circule en dirección opuesta y por consiguiente dando lugar a una corriente eléctrica neta en el sentido del citado campo eléctrico.
• Formas de crear un campo eléctrico en un sólido
Existen varios métodos para establecer un campo eléctrico en el interior de un sólido. Todos ellos están ligados al concepto de potencial de contacto que aparece cuando se unen dos materiales con distinta afinidad electrónica. Es natural que puedan existir, por tanto, infinidad de pares de materiales distintos capaces de proporcionar un potencial de contacto. Además, dado que es la diferente afinidad electrónica lo que determina la aparición del potencial de contacto, se podrá tener un campo eléctrico aún con un solo material con tal que dos regiones contiguas de una muestra hayan sido tratadas o contaminadas debidamente para tener distinta afinidad. Se dirá en éste último caso que se tiene una “homounión” y “heterounión”, en el caso de materiales diferentes. Cuando una heterounión está constituida por un metal y un semiconductor se llama barrera Schottky.
En las células solares convencionales, el campo eléctrico separador se logra en la zona de transición, o unión de dos regiones de un cristal de silicio que habían sido tratadas químicamente de manera desigual: una fue impurifica con fósforo (región n) y otra con boro (región p). Con ello aparecía un campo eléctrico dirigido de la zona “n” hacia la “p” que tiende a enviar a los elementos hacia la zona “n” y los huecos hacia la zona “p”. Todo esto se puede observar en la figura 4.
• Estructura de una célula solar
En la figura 4 puede apreciarse la constitución concreta de una célula solar de silicio convencional. Una barra cristalina de silicio, dopado con boro, se corta en discos de un espesor aproximado de 0,3 mm. Una de sus caras se dopa fuertemente con fósforo mediante difusión a alta temperatura desde una atmósfera gaseosa rica en fósforo, de manera que este elemento penetra en el silicio con mayor concentración que la del boro que este contenía hasta una profundidad de 0,3 micras aproximadamente. Encima de esta capa se deposita una rejilla metálica y en la parte posterior de la célula una capa continua. Ambas capas sirven para facilitar la toma de contactos eléctricos en ambas regiones.
• Modo de funcionamiento
Cuando la luz incide sobre la cara superior de la célula algunos enlaces son rotos, generándose pares electrón-hueco. Si esta generación se produce a una distancia de la unión menor de lo que se denomina longitud de difusión, en promedio, antes o después estos portadores serán separados por el fuerte campo eléctrico que existe en la unión, moviéndose el electrón hacia la zona n y el hueco hacia la zona p, dando lugar por consiguiente, a una corriente desde la zona n a la zona p. Si un electrón y un hueco se encuentran antes de atravesar la unión se recombinan, perdiéndose en forma de calor la energía luminosa que habían absorbido.
Uno de los factores que más limitan la eficaz conversión de energía luminosa en eléctrica es el que se deriva de la falta de adaptación entre la energía de los fotones del espectro solar y la energía necesaria para romper el enlace de un electrón en un material dado. Así los fotones con energía inferior a la necesaria para romper un enlace no serán absorbidos y se perderán. Los muy energéticos gastaran parte de su energía en romper el enlace de un electrón (es decir en crear un par electrón-hueco) y el resto en ceder energía cinética a ese hueco y electrón. La energía cinética se perderá rápidamente en forma de calor a causa de las colisiones de estos portadores con los átomos del material. La energía recuperable del par electrón-hueco generado será, como máximo, igual a la energía potencial debido al campo creado en la unión.
Dado que el espectro solar es bastante ancho y la mayor parte de los fotones tienen energías comprendidas entre los 3,1 eV y los 0,7 eV no es posible conseguir rendimientos muy altos con un solo material. La figura 6 muestra los máximos rendimientos obtenibles con distintos materiales semiconductores atendiendo a este efecto y suponiendo que no hay precombinación.
Los materiales con banda prohibida de 1,5 eV serian los mejores, visto el espectro solar. Pero dado que el rendimiento no depende sólo de eso, sino también de las tecnologías de fabricación del material y de la célula, una célula de silicio real es hoy más eficiente que una de CdTe.
• Rendimiento de conversión
El rendimiento de conversión, de una célula solar se define como:
El rendimiento teórico máximo alcanzable es del 95% habida cuenta de que el espectro solar proviene de un gas de fotones a 6000ºC que trabaja frente a una temperatura de 300ºC. Dicho valor es inalcanzable en la práctica si se emplea una célula de un solo material semiconductor. La radiación solar no es monocromática, sino que presenta una distribución espectral bastante amplia. En la superficie de la tierra se extiende aproximadamente desde el ultravioleta (3500 Å) hasta el infrarrojo próximo (2 m). La suma de las potencias correspondientes a cada una de esas frecuencias es lo que llamamos potencia solar incidente, Pin. Pero no todas las frecuencias son aprovechables por un determinado material fotovoltaico, porque éste es transparente por encima de una longitud de onda.
En los materiales muy absorbentes, la corriente generada es grande, pero la tensión de circuito abierto es baja, por serlo la banda prohibida del semiconductor. Solo dividiendo el espectro solar en varios bloques de frecuencia y poniendo una célula espectralmente adaptada en cada bloque puede superarse el límite del 25% que puede considerarse como barrera infranqueable para sistemas con una sola célula de banda prohibida constante.
• Efecto de la resistencia serie
Una célula solar ideal genera energía eléctrica que puede ser suministrada íntegramente a una carga. Una célula real, por el contrario, poseerá una cierta resistencia serie en la que se perderá parte de la potencia. La resistencia serie modifica la forma de la curva V-I de manera que Pmax resulta reducida respecto a la misma célula con Rs=0. La figura 7 muestra una curva para varios valores de Rs.
El efecto negativo de la resistencia serie se hace muy importante en células que reciben luz concentrada puesto que la potencia disipada en una resistencia vale I2R.
• Reflexión de la luz
Un elemento que afecta a la absorción de la luz por las células, aparte de las propiedades ópticas intrínsecas del material, es la reflexión en la superficie de la célula por causa de la discontinuidad del índice de refracción en la interfase.
El índice de refracción de los semiconductores es bastante elevado, de 3,5 a 4,5, lo cual produce una reflexión muy importante de la luz en la superficie. Con ello se reduce el rendimiento de la célula, puesto que solo se absorbe un 60%-70% de la luz incidente. Este problema se resuelve generalmente depositando capas delgadas antirreflexivas transparentes, con espesores ópticos del orden de un cuarto de la longitud de onda de la luz, que permiten fácilmente alcanzar absorciones del 90%.