Ciluz

Nuevas células solares extraen más energía del sol: Se acerca una eficiencia mucho mayor

La energía solar ha tenido una buena crisis. En muchas partes del mundo, los cielos libres de contaminación han ayudado a las estaciones de energía fotovoltaica, que convierten la luz en electricidad, a ser más productivas y confiables. Mientras tanto, la disminución de la demanda ha provocado la desconexión de las estaciones de carbón y gas. En Gran Bretaña, el 20 de abril, la generación solar alcanzó un máximo de 9,7 gigavatios. En este momento, esto sucedió y representó casi el 30% del suministro eléctrico del país, diez veces la proporción habitual. En Alemania, la proporción de energía solar en la mezcla alcanzó el 23% durante una semana completa en abril, en comparación con un promedio de aproximadamente el 8% durante 2019.

Aunque temporales, tales cifras son impresionantes. La energía solar, sugieren, ha alcanzado la mayoría de edad. Sin embargo, en algunos aspectos, a pesar de la nueva y brillante imagen solar, esta es la victoria de una tecnología antigua.

La primera célula solar práctica se fabricó en la década de 1950 en Bell Labs en Nueva Jersey. Tenía una eficiencia del 6% y era terriblemente caro. Sin embargo, demostró tener una aplicación asesina para alimentar los satélites de las superpotencias en la próxima carrera espacial. Eso mantuvo vivo el interés.

Gradualmente, los costos disminuyeron, las eficiencias se triplicaron al 17-20% y las aplicaciones se ampliaron, hasta el punto, ahora en el que los gerentes de la red que enfrentan una capacidad excedente prefieren la generación de energía solar a la de combustibles fósiles. Sin embargo, por todo lo que han mejorado en detalle, las células solares se han mantenido igual en principio. Dos capas de silicio ultrapuro (99.9999%), cada una dopada con un aditivo para que sea semiconductora, absorba la luz y use la energía de esta para mover los electrones a través de la unión entre ellos, generando así una corriente eléctrica.

Para la electricidad a gran escala producida en granjas solares estándar, es probable que este arreglo continúe. Pero mucha gente piensa que la energía solar tiene un potencial más amplio que ese. Algunos quieren rediseñar las granjas solares de manera radical. Otros lo ven como tener aplicaciones a pequeña escala que no requieren conexión a una red. Ambos enfoques requerirán eficiencias que el silicio estándar nunca ha logrado. Pero ambos permitirán precios altos para las células que lo hacen.

Torta de capa

Una forma de aumentar la eficiencia de una célula es agregar capas ajustadas a diferentes partes del espectro solar. Esto significa llegar más allá del silicio a otros materiales. Los llamados semiconductores III-V, hechos de elementos del grupo III de la tabla periódica (aluminio, galio e indio) y el grupo V (fósforo y arsénico) son un enfoque. De hecho, el arseniuro de galio ya se usa en aplicaciones como los satélites. John Geisz y sus colegas del Laboratorio Nacional de Energía Renovable, en Colorado, han producido una celda de seis uniones que contiene varias mezclas III-V, cada una con diferentes propiedades de absorción de luz. Esta célula tiene una eficiencia del 47,1% en condiciones de laboratorio, un nuevo registro, que los investigadores informaron en Nature Energy en abril. Consideran que con más trabajo, debería ser posible una eficiencia de más del 50%.

Curiosamente, la eficiencia de la célula del Dr. Geisz aumenta a medida que se concentra más luz en ella. Presentado en granjas solares estándar, manejaría un poco menos del 40%. La cifra del 47% se produce cuando está bañado en una iluminación equivalente a 143 soles. Hablando en términos generales, entonces, una celda de seis uniones con una disposición adecuada de espejos que concentran la luz del sol sobre ella podría generar la misma cantidad de electricidad que una celda de silicio estándar que tenía 400 veces el área. Esos son los tipos de números de los que están hechas las tecnologías disruptivas.

Otro grupo prometedor de materiales para fabricar nuevos tipos de células solares son las perovskitas. La sustancia original de este nombre es un mineral, óxido de calcio y titanio, descubierto en los montes Urales en 1839 y llamado así por el conde Lev Perovski, un mineralogista ruso. Sin embargo, como suele ser el caso con los minerales, la red cristalina básica involucrada se puede crear a partir de muchos tipos de átomos. «Perovskita» se ha convertido en un término genérico para cualquiera de estas variantes.

No todas las perovskitas son semiconductores. Pero un grupo basado en un metal, como el estaño, y un halógeno, como el cloro, el bromo o el yodo, tiene esa propiedad. Los ingredientes de estas perovskitas de haluro metálico son, además, abundantes y económicos. Uno de los líderes en el campo de la fabricación de células a partir de ellos es Oxford pv , una empresa británica fundada en 2010 para explotar el trabajo realizado en perovskitas por Henry Snaith de la Universidad de Oxford. El diseño de la firma es una estructura híbrida, conocida como celda en tándem, que recubre una capa de silicio con perovskita.

Esto trae dos ventajas. Una es que, como una célula III-V multicapa, una célula tándem de perovskita-silicio divide el trabajo de capturar la luz solar. La capa superior de perovskita se ajusta para absorber la luz del extremo azul del espectro. La capa inferior de silicio limpia las longitudes de onda restantes hacia el extremo rojo. Esto lo convierte en una alta eficiencia. En una prueba en 2018, una celda en tándem estableció un nuevo récord para su tipo con una eficiencia del 28%. Eventualmente, los ingenieros de la firma piensan que pueden llevar esto a la «mitad de los 30».

La segunda ventaja de llevar a cuestas la perovskita sobre silicio es que las células son bastante fáciles de convertir en paneles solares mediante procesos industriales estándar. Eso ayuda a mantenerlos competitivos con los paneles solares convencionales. Una nueva fábrica que hará exactamente esto está actualmente en construcción en Alemania. La esperanza es que, según la pandemia, los primeros paneles fabricados en esta planta saldrán a la venta el próximo año.

Queda por ver si una eficiencia a mediados de los años 30 será suficiente para desplazar las celdas de silicio de parte de su mercado existente. Sin embargo, las perovskitas pueden tener aplicaciones que realizan trabajos que el silicio no puede administrar. Por ejemplo, funcionan bien en bajas intensidades de luz. Esto ha permitido que un grupo liderado por Thomas Brown de la Universidad Tor Vergata de Roma y John Fahlteich del campus del Instituto Fraunhofer en Dresden, Alemania, desarrolle versiones que operen a los niveles de iluminación que se encuentran dentro de los edificios. La cantidad de energía en la iluminación artificial es mucho menor que la de la luz solar. Sin embargo, el Dr. Brown y el Dr. Fahlteich han descubierto, según un artículo que publicaron este mes en Cell Reports Physical Science , que sus células pueden lograr una eficiencia de conversión de hasta 22.6%, produciendo así lo suficiente para operar dispositivos pequeños de baja potencia. como sensores inalámbricos y unidades de control remoto, que de otro modo requerirían baterías.

Aunque puede parecer extraño convertir la iluminación artificial interior en electricidad, dado que, en primer lugar, se creó a partir de la electricidad, la verdad es que toda esa luz que no termina entrando en un ojo humano se desperdicia. Este enfoque simplemente reduce el nivel de desperdicio. Con el crecimiento del llamado «Internet de las cosas», que se basa en muchos tipos diferentes de sensores, sistemas de control inalámbrico y otros componentes electrónicos, este enfoque podría tener una amplia aplicación. Si funciona, la etiqueta «baterías no incluidas» pasará de ser una advertencia a una recomendación.

Este artículo apareció en la sección Ciencia y tecnología de la edición impresa bajo el título «El nuevo poder Solar»

Fuente: The Economist