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.

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PANELES SOLARES SUBACUÁTICOS

Obviamente, a gran profundidad bajo el agua no llega suficiente luz solar como para que un sistema fotovoltaico pueda aprovecharla de manera viable. Pero a pocos metros de profundidad, la luz solar sí puede ser una fuente de energía aprovechable para sistemas fotovoltaicos especiales.
Unos científicos de la División de Ciencia y Tecnología Electrónicas del Laboratorio de Investigación Naval de Estados Unidos, en Washington D.C., han desarrollado celdas o células solares capaces de producir suficiente electricidad para energizar con ella sistemas de sensores electrónicos a profundidades de 9 metros bajo el agua.
Las plataformas de sensores y los sistemas autónomos subacuáticos están severamente limitados por la falta de fuentes de energía de gran resistencia. Hoy en día, estos sistemas dependen del suministro eléctrico procedente de tierra firme, o de baterías o de energía solar suministrada por una plataforma sobre el agua. Los intentos de utilizar la energía fotovoltaica bajo el agua han tenido poco éxito, debido principalmente a la pobre penetración de la luz y a la utilización de células solares optimizadas para el espectro solar disponible fuera del agua.
Sin embargo, tal como explica Phillip Jenkins, jefe de la sección de detectores y sensores de imagen del Laboratorio de Investigación Naval, aunque el agua absorbe la luz solar, el principal desafío técnico es desarrollar una célula solar que pueda convertir con la debida eficiencia estos fotones subacuáticos en electricidad.
Aunque la intensidad absoluta de la radiación solar es menor bajo el agua, el contenido espectral es estrecho y favorece una alta conversión siempre que la célula solar esté ajustada a ese rango de longitudes de onda. Los intentos anteriores para utilizar células solares bajo el agua se centraron sobre todo en células de silicio cristalino y, más recientemente, en células de silicio amorfo.
Las células solares de alta calidad, a base de Fosfuro de indio y galio (GaInP) están bien adaptadas para operar bajo el agua. Tienen una elevada eficiencia cuántica en longitudes de onda entre 400 y 700 nanómetros aproximadamente (luz visible) y también operan bien en condiciones de baja iluminación.
El espectro solar bajo el agua está filtrado de tal modo por ésta que presenta sesgos hacia la parte del azul y el verde del espectro. Eso hace que las células de GaInP, por sus especiales características, funcionen mucho mejor en ese ambiente lumínico que las de silicio convencionales.
Los resultados preliminares a una profundidad máxima de 9,1 metros son de un valor de salida de 7 vatios por metro cuadrado de células solares, suficientes para demostrar que hay energía solar útil que puede obtenerse a profundidades que son típicas por ejemplo de las zonas marinas próximas al litoral.
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LAS CELDAS SOLARES PODRÍAN REVOLUCIONAR LA GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR

Un equipo de la Universidad de Toronto, dirigido por el profesor Ted Sargent ha reportado el desarrollo de las primeras celdas solares de doble capa de puntos cuánticos, que pueden ser un elemento de cambio en el campo de la energía solar. El equipo ha utilizado dos especificaciones diferentes de puntos cuánticos coloidales (SCC), una sintonía para absorber la parte visible de la energía solar, y el otro para absorber la parte infrarroja y del infrarrojo cercano de la misma, aumentando la eficiencia de unión teórica del 31 por ciento al 42 por ciento.
Las celdas solares convencionales de silicio sólo pueden absorber la energía del espectro visible de la luz solar. El resto de la energía se transmite sin ser absorbida o mal absorbida. Los puntos cuánticos coloidales PbS (sulfuro de plomo), utilizados por el equipo de Toronto, tienen la ventaja de ser capaces de ser ajustados para absorber las diferentes partes del espectro solar.
La combinación de dos capas en una “unión tandem” se ha intentado antes también, pero el problema siempre ha sido la resistencia en la unión que da lugar a pérdidas. El equipo de Toronto ha llegado a una solución a este problema mediante el uso de una combinación de cuatro óxidos de metal en una capa de transición en cascada que ha mantenido la resistencia “agradable y baja”, como el profesor Sargent dice. El equipo también ha elegido los óxidos transparentes para permitir que la luz solar pase a través de la capa inferior.
Se informa que el equipo ha aplicado el CQS en capas en un plato de vidrio recubierto de óxido de estaño en temperatura y aire ambiente. Dado que el proceso no necesita equipo especializado, podría llegar a ser tan fácil de aplicar como un rociador. La tecnología también permite aumentar el número de capas a 3 o 4 lo que podría impulsar la eficiencia de unión teórica hasta un 84 por ciento.
Mientras que la eficiencia de unión teórica se ha incrementado a 42 por ciento, la primera celda solar de doble capa del equipo de Toronto tiene una eficiencia de sólo una décima parte, el 4,2 por ciento. El equipo de Toronto confía en que en los próximos 5 años, esta eficiencia se incrementará a 10 por ciento. La menor eficiencia de las celdas de puntos cuánticos se verá compensada por su bajo costo, tanto en la fabricación como en su aplicación.