El futuro es cada vez más brillante para la energía solar. Investigadores de la Universidad Estatal de Arizona y de la Universidad de Colorado en Boulder han creado una célula solar de bajo costo con una de las mayores eficiencias de conversión de energía hasta la fecha, mediante la estratificación de las células y el uso de una combinación única de elementos.

“La eficiencia de conversión de la energía de las células solares para paneles solares es un factor clave del costo de la energía solar”, explicó Zachary Holman, profesor asociado de la Escuela de Ingeniería Eléctrica, Informática y Energética de ASU, y coautor de un documento científico sobre esta tecnología. “La instalación de paneles solares en su tejado ahora cuesta cinco veces más que los propios paneles, por lo que se desea utilizar los paneles más eficientes, que tengan las células más eficientes”.

Los investigadores tomaron una célula solar de perovskita, una estructura cristalina diseñada para recoger fotones de mayor energía, y la colocaron en capas sobre una célula solar de silicio, que captura más fotones en la parte infrarroja del espectro, la cual está compuesta de energía radiante que no podemos ver, pero que podemos sentir como calor.

“El silicio puede ser tan eficiente como un 45% en la conversión de fotones de baja energía”, dijo Zhengshan (Jason) Yu, profesor asistente de investigación en la Universidad Estatal de Arizona y co-autor del artículo, “así que su emparejamiento con una célula superior que sea eficiente en la conversión de fotones de alta energía puede mejorar dramáticamente la eficiencia general del dispositivo”. Combinada, la perovskita eleva la eficiencia de una célula solar de silicio del 21% hasta el 27%, es decir, en un tercio.

Durante años, las células solares de silicio han sido el estándar en la industria de la energía solar. Pero las actuales células de silicio sólo convierten un 20-22% de la energía del sol en electricidad utilizable, en promedio, y llegan a un máximo de alrededor del 27%.

La eficiencia media de los paneles solares es inferior a la eficiencia máxima, porque no importa lo buena que sea una célula solar individual, conectar muchas de ellas en un gran panel causará una pérdida de energía de alrededor de tres puntos porcentuales, algo así como un equipo deportivo que solo es tan bueno como su jugador medio. Pero si puedes aumentar la eficiencia general, no tienes que instalar tantos paneles para obtener la misma cantidad de energía.

Lo que mejora dramáticamente la eficiencia es poner otra célula solar encima de una existente, y eso es exactamente lo que hicieron los investigadores.

Las células solares en tándem de perovskita/silicio creadas por los investigadores de ASU están transformando la tecnología habitual del silicio y reduciendo el coste de la energía solar. (Foto: Erika Gronek, Arizona State University)

Paneles solares con células multicapa

Esta no es la primera vez que los investigadores han colocado capas de células solares para ganar eficiencia. El concepto, también conocido como células solares en tándem o multiunión, se introdujo por primera vez en la década de 1970, y el récord mundial de eficiencia de las células solares es ya más del 45%. Sin embargo, tuvo un alto precio: 80.000 dólares por metro cuadrado, debido al hecho de que las células crecieron una capa atómica cada vez, creando un gran cristal único. Probablemente no es un costo que el propietario medio de una casa o negocio pueda llegar a pagar.

Holman, Yu y sus compañeros de investigación son pioneros en una nueva dirección de las células solares en capas, usando perovskitas y silicio, que cuestan más de cien veces menos.

Empezaron a trabajar en estrecha colaboración con el primer co-autor Michael McGehee, un profesor del Departamento de Ingeniería Química y Biológica de CU Boulder, hace menos de 5 años, con el concepto de colocar materiales menos costosos encima del silicio. Al principio, lograron alrededor de un 13% de eficiencia, pero a través de mejoras tecnológicas han podido más que duplicar ese número.

Su fórmula secreta incluye una aleación única de triple haluro de cloro, bromo y yodo.

Cada material de célula solar tiene una única longitud de onda, o color de la luz, que es la que mejor convierte en electricidad. Algo único en las perovskitas, que son una familia de materiales, esta mejor longitud de onda puede ser ajustada intercambiando algunos elementos del cristal con otros.

La adición de bromo, por ejemplo, puede afinar una perovskita de modo que su mejor longitud de onda sea perfecta para emparejarla con el silicio en una célula solar en tándem. Sin embargo, cuando se usa con yodo y se expone a la luz, estos elementos no siempre permanecen en su lugar. Estudios previos han tratado de usar el cloro y el yodo juntos, pero debido a los diferentes tamaños de las partículas de estos elementos, no hay suficiente cloro que pueda caber en la estructura cristalina de la perovskita. Pero al usar diferentes cantidades de cloro, bromo y yodo, los investigadores descubrieron una forma de reducir la estructura cristalina, permitiendo que entre más cloro, estabilizando y mejorando la eficiencia de la célula.

Con el mercado de la energía solar creciendo alrededor del 30% al año, el costo y la longevidad son también consideraciones importantes a la hora de hacer que las nuevas tecnologías se conviertan en la corriente principal. Afortunadamente, las perovskitas son baratas e incluso después de 1000 horas (o casi 42 días) de pruebas intensivas de luz y calor, estas nuevas células solares mostraron un cambio mínimo en su eficiencia inicial.

Holman, Yu y McGehee son optimistas sobre el potencial de este nuevo material de perovskita en las células solares en tándem.

“Tomamos un producto que es responsable de una industria de 30.000 millones de dólares al año y lo mejoramos en un 30%”, McGehee. “Eso es algo grande. “No solo la célula del equipo ha superado la máxima eficiencia de una célula solar de solo silicio, creemos que puede llevarnos por encima del 30% de eficiencia y que puede ser estable”. (Fuente: NCYT Amazings)

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