Avances en las células de la próxima generación de paneles solares

Las perovskitas, con sus estructuras cristalinas y sus prometedoras propiedades electro-ópticas, podrían ser el ingrediente activo que haga posible la próxima generación de células solares de bajo coste, eficientes, ligeras y flexibles, dando lugar a paneles solares más rentables y económicos, democratizando así la energía solar para todos los potenciales usuarios.

Un problema de la actual generación de células solares de silicio es su relativamente baja eficiencia en la conversión de la energía solar en electricidad, afirmó Vikram Dalal, profesor de la Universidad Estatal de Iowa, y director del Centro de Investigación de Microelectrónica del Estado de Iowa.

Las mejores células solares de silicio en el laboratorio tienen una eficiencia de alrededor del 26%, mientras que las células comerciales alcanzan alrededor del 15%. Eso significa que se necesitan sistemas más grandes para producir una determinada cantidad de electricidad, y sistemas más grandes significan mayores costos.

Eso tiene a los investigadores buscando nuevas formas de aumentar la eficiencia y disminuir los costos. Una idea que podría aumentar la eficiencia hasta en un 50% es una estructura en tándem que apila dos tipos de células una encima de la otra, cada una usando partes diferentes y complementarias del espectro solar para producir energía.

Los investigadores han comenzado recientemente a buscar materiales híbridos de perovskita orgánico-inorgánicos, como buenos compañeros para el tándem con las células de silicio. Las llamadas perovskitas tienen tasas de eficiencia cercanas al 25%, tienen una banda prohibida complementaria, pueden ser muy delgadas (sólo una millonésima parte de un metro) y pueden ser fácilmente depositadas sobre el silicio.

Pero Dalal dijo que los investigadores han averiguado que esas células solares híbridas de perovskita se descomponen cuando son expuestas a altas temperaturas.

Célula solar de perovskita ideada por ingenieros de la universidad estatal de Iowa. (Foto: Harshavardhan Gaonkar/Iowa State University)

Eso es un problema cuando tratas de orientar paneles solares hacia donde está el sol en desiertos calientes y secos en lugares como el suroeste americano, Australia, el Medio Oriente y la India. Las temperaturas ambientales en estos lugares pueden alcanzar los 49 a 54 grados Celsius y las temperaturas de las células solares pueden alcanzar los 93 grados Celsius.

Los ingenieros de la Universidad Estatal de Iowa, en un proyecto parcialmente apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias, han encontrado una forma de aprovechar las útiles propiedades de la perovskita y al mismo tiempo estabilizar las células a altas temperaturas. Describen su descubrimiento en un artículo recientemente publicado en la revista científica Applied Energy Materials, de la American Chemical Society.

“Son resultados prometedores en la búsqueda de la comercialización de materiales para células solares de perovskita en paneles solares, y un futuro más limpio y verde”, dijo Harshavardhan Gaonkar, el primer autor del artículo que recientemente obtuvo su doctorado en ingeniería eléctrica e informática en el estado de Iowa y que ahora trabaja en Boise, Idaho, como ingeniero de la empresa ON Semiconductor.

Dalal, el autor del artículo, dijo que hay dos desarrollos clave en la nueva tecnología de células solares:

Primero, que los ingenieros hicieron algunos ajustes en la composición del material de la perovskita. Eliminaron los componentes orgánicos del material, en particular los cationes, los materiales con protones adicionales y una carga positiva, y sustituyeron los materiales inorgánicos como el cesio. Eso hizo que el material fuera estable a temperaturas más altas.

Y en segundo lugar, desarrollaron una técnica de fabricación que construye el material de la perovskita de fina capa – solo unas mil millonésimas de metro – en fina capa. Esta técnica de deposición de vapor es consistente, no deja contaminantes, y ya se utiliza en otras industrias, por lo que se puede ampliar para la producción comercial.

“Nuestras células solares de perovskita no muestran degradación térmica incluso a 200 grados centígrados durante más de tres días, temperaturas muy superiores a las que la célula solar tendría que soportar en entornos del mundo real”, dijo Gaonkar.

Y luego Dalal hizo un poco de comparación y contraste: “Eso es mucho mejor que las células de perovskita orgánicas-inorgánicas, que se habrían descompuesto totalmente a esta temperatura. Así que esto es un gran avance en el campo”.

El documento informa que las nuevas células solares inorgánicas de perovskita tienen una eficiencia de fotoconversión del 11,8%. Eso significa que queda más trabajo por delante para los ingenieros.

“Ahora estamos tratando de optimizar esta célula, queremos hacerla más eficiente en la conversión de la energía solar en electricidad”, dijo Dalal. “Todavía tenemos mucha investigación por hacer, pero creemos que podemos llegar allí utilizando nuevas combinaciones de materiales”. Ello permitiría obtener paneles solares de gran rendimiento.

Los ingenieros, por ejemplo, sustituyeron el yodo común en los materiales de perovskita por bromo. Eso hizo que las células fueran mucho menos sensibles a la humedad, resolviendo otro problema con las perovskitas híbridas estándar. Pero, esa sustitución cambió las propiedades de las células, reduciendo la eficiencia y lo bien que funcionan en conjunto con las células de silicio.

Así que los ajustes y pruebas continuarán.

A medida que avanzan, los ingenieros creen que están en el camino adecuado: “Este estudio demuestra una estabilidad térmica más robusta de los materiales inorgánicos de la perovskita y de las células solares a temperaturas más altas y durante períodos de tiempo más largos que lo que se ha informado en otros lugares”, escribieron en su artículo. “Son resultados prometedores en la búsqueda de la comercialización de materiales de células solares de perovskita para paneles solares”. (Fuente: NCYT Amazings)

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Se ensayan nuevos tipos de células solares en el espacio

Cinco tipos diferentes de células solares fabricadas por equipos de investigación del Instituto de Tecnología de Georgia llegaron hace algunas semanas a la Estación Espacial Internacional (ISS) para ser probadas en cuanto a su tasa de conversión de energía y su capacidad para funcionar en el duro entorno espacial, todo ello formando parte de la misión MISSE-12. Un tipo de célula, hecha de materiales orgánicos de bajo costo, no ha sido probada extensamente en el espacio antes, y se muestra muy prometedora para ser incorporada a futuros paneles solares de alto rendimiento.

Células fotovoltaicas texturizadas basadas en nanotubos de carbono, diseñadas para capturar la luz desde cualquier ángulo, serán evaluadas por su capacidad de producir energía de manera eficiente, independientemente de su orientación hacia el Sol. Otras células hechas de materiales de perovskita y un material de bajo costo de cobre-zinc-estaño-sulfuro (CZTS) – junto con un grupo de control de células tradicionales basadas en silicio, se hallan entre los 20 dispositivos fotovoltaicos (PV) colocados en la plataforma MISSE situada en el exterior de la ISS para una evaluación de seis meses. Para dos de las células, el lanzamiento marcó su segundo viaje al espacio.

“Para todas las células fotovoltaicas se hará la misma pregunta: en particular, ¿pueden estos foto-absorbedores ser usados de forma efectiva en el espacio?”, dijo Jud Ready, ingeniero principal de investigación en el Instituto de Investigación del Georgia Tech (GTRI), director asociado del Centro de Tecnología e Investigación Espacial del Georgia Tech, y subdirector del Instituto de Materiales del Georgia Tech. “Con esta prueba, obtendremos conocimientos sobre los mecanismos de degradación de estos materiales y podremos comparar su producción de energía en diferentes condiciones”. Se espera de esta información poder diseñar mejores paneles solares para su uso espacial.

Las células solares orgánicas desarrolladas en el laboratorio del Profesor Bernard Kippelen en el Georgia Tech se procesan a bajas temperaturas utilizando procesos basados en soluciones sobre grandes superficies, para producir células con un absorbente que puede ser unas 200 veces más delgado que el ancho de un cabello humano.

Jud Ready sostiene una célula solar de perovskita. (Foto: Branden Camp, Georgia Tech)

“Con un peso muy bajo y valores de eficiencia de conversión de potencia de hasta el 16%, las células solares orgánicas podrían producir valores de potencia de cientos de miles de vatios por kilogramo de material activo, lo que resulta muy atractivo para las aplicaciones de paneles solares espaciales”, dijo Kippelen. “Sin embargo, los efectos de la exposición continua de estos dispositivos en un entorno espacial no han sido explorados a fondo. Nuestro interés es investigar la robustez de las interfaces formadas en estos dispositivos en un entorno espacial, así como mejorar nuestra comprensión de los mecanismos de degradación de las células solares orgánicas en el espacio”.

Las células solares planas tradicionales son más eficientes cuando la luz del Sol está directamente sobre ellas. Debido a que la dirección del flujo solar varía con la órbita, los grandes vehículos espaciales como la ISS utilizan mecanismos mecánicos de apuntamiento para mantener las células correctamente orientadas. Sin embargo, esos complejos mecanismos crean problemas de mantenimiento y son demasiado pesados para su uso en naves espaciales muy pequeñas como los CubeSats.

Para superar el problema de la orientación hacia el Sol, el equipo de Ready desarrolló células solares con textura 3D que pueden capturar eficientemente la luz solar que llega con diferentes ángulos. Las células utilizan “torres” hechas de nanotubos de carbono y cubiertas con material fotovoltaico para atrapar la luz que rebotaría en las células estándar cuando no están inclinadas hacia el Sol.

“Con nuestra estructura para atrapar la luz, nos da igual el ángulo del Sol”, dijo Ready. “Nuestras células en realidad trabajan mejor en ángulos rasantes. En los CubeSats, eso permitirá una captura eficiente sin importar la orientación del Sol”.

Las células de perovskita producidas en el laboratorio de Zhiqun Lin, profesor de la Escuela de Ciencia de Materiales e Ingeniería, también serán probadas. Estos materiales tienen conocidos mecanismos que propician su fallo, causados por la absorción de humedad y de oxígeno. “Estos dos mecanismos de falla no estarán presentes en el exterior de la Estación Espacial Internacional, por lo que esta prueba nos permitirá ver el rendimiento de estos materiales sin esos problemas. Deberíamos ser capaces de determinar si estos problemas conocidos podrían estar enmascarando otras causas de degradación”, dijo Ready.

Los materiales CZTS podrían potencialmente convertirse en las celdas solares de próxima generación, células hechas de materiales de bajo costo y abundantes en la Tierra: cobre, zinc, estaño y azufre. Los materiales tienen un alto coeficiente de absorción y pueden ser resistentes a la radiación – útiles para aplicaciones espaciales – y ofrecen un atractivo compromiso entre costo y rendimiento, dijo Ready.

Las células solares de silicio producidas por el Centro Universitario de Excelencia en Investigación y Educación Fotovoltaica del Georgia Tech proporcionarán una forma de comparar el rendimiento de las otras células. El laboratorio, dirigido por el profesor Ajeet Rohatgi de la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Computacional, proporcionó este tipo de células de control.

“Estas células foto-absorbentes de silicio servirán como controles para comparar el rendimiento de otros materiales foto-absorbentes en el espacio”, dijo Rohatgi.

Las 20 células fotovoltaicas se unirán brevemente a otras tres células fabricadas por los investigadores del Georgia Tech que ya están en la ISS. Esas tres, y dos en la misión más reciente, formaban parte de un experimento de 2016 que no pudo registrar datos, aunque sí proporcionó información sobre los efectos del entorno espacial en las células solares.

Las células fotovoltaicas del Georgia Tech fueron lanzadas a la ISS el 2 de noviembre de 2019, a bordo de la S.S. Alan Bean, una nave espacial Cygnus que partió desde las instalaciones de la NASA en Wallops Island, como parte de una misión de reabastecimiento de rutina. Para su ensayo, las células fueron integradas en un paquete de pruebas por la empresa Alpha Space Test & Research Alliance de Houston.

Además de los ya mencionados, el proyecto también incluyó a Canek Fuentes-Hernández, Matthew Rager, Hunter Chan, Christopher Tran, Christopher Blancher, Zhitao Kang y Conner Awald y Brian Rounsaville, todos del Georgia Tech. (Fuente: NCYT Amazings)

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Células orgánicas ultradelgadas para paneles solares

Los paneles solares comerciales están formados por células solares efectivas pero que aún está lejos de la perfección y el máximo rendimiento teórico. Los investigadores estudian alternativas más eficaces y que puedan durar más tiempo.

Unos científicos de RIKEN han logrado, en colaboración con socios internacionales, crear una célula solar orgánica ultrafina que es a la vez altamente eficiente y duradera. Utilizando un simple proceso de post-recocción, crearon una célula orgánica flexible que se degrada en menos del 5 por ciento a lo largo de 3.000 horas en condiciones atmosféricas y que simultáneamente tiene un ratio de conversión de energía -un indicador clave del rendimiento de la célula solar- del 13 por ciento.

La energía fotovoltaica orgánica se considera una alternativa prometedora a las películas convencionales a base de silicio, ya que es más respetuosa con el medio ambiente y su producción es más barata. Las células solares flexibles ultrafinas son particularmente atractivas, ya que podrían proporcionar una gran potencia por peso y ser utilizadas en una variedad de aplicaciones útiles, como alimentar la electrónica ponible y sensores y actuadores en la robótica blanda. Sin embargo, las películas orgánicas ultrafinas tienden a ser relativamente eficientes, y suelen tener una relación de conversión de energía de alrededor del 10 al 12%, significativamente inferior a la relación de las células de silicio, que puede llegar al 25%, o de las células orgánicas rígidas, que puede llegar hasta alrededor del 17%. Las películas ultrafinas también tienden a degradarse rápidamente bajo la influencia de la luz solar, el calor y el oxígeno. Los investigadores están tratando de crear películas ultrafinas que sean a la vez energéticamente eficientes y duraderas, pero a menudo es un equilibrio difícil.

Célula solar orgánica ultradelgada. (Foto: RIKEN)

En una investigación publicada en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, el grupo logró demostrar que una célula ultrafina puede ser tanto duradera como eficiente. El grupo comenzó con un polímero semiconductor para la capa donante, desarrollado por Toray Industries, Inc. y experimentó con una nueva idea para aumentar la estabilidad térmica. Además de esto, experimentaron con un simple proceso de post-recocido, en el que el material se calentaba a 150 grados centígrados después de un recocido inicial a 90 grados. Este paso resultó ser crítico para aumentar la durabilidad del dispositivo creando una interfaz estable entre las capas.

Según Kenjiro Fukuda, uno de los autores del estudio, “Al combinar una nueva capa de generación de energía con un simple tratamiento post-recocido, hemos logrado tanto una alta eficiencia de conversión de energía como una estabilidad de almacenamiento a largo plazo en células solares orgánicas ultra delgadas”. Nuestra investigación muestra que las células solares orgánicas ultrafinas pueden utilizarse para suministrar alta energía de forma estable durante largos períodos de tiempo, y pueden utilizarse incluso en condiciones severas como alta temperatura y humedad”. Espero que esta investigación contribuya al desarrollo de dispositivos de suministro de energía estable a largo plazo que puedan ser utilizados en aparatos electrónicos que se puedan llevar puestos, como sensores conectados a la ropa”. Sus otras aplicaciones, como su uso en paneles solares, serán consideradas posteriormente. (Fuente: NCYT Amazings)

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Paneles solares más adaptables y sin plomo

Lograr paneles solares capaces de adaptarse a diversas condiciones de iluminación y aprovechar muchas más bandas de luz que las placas solares tradicionales, es una vía para obtener un mejor rendimiento en los paneles solares. El uso de un diseño basado en lo que se conoce como puntos cuánticos puede permitirlo a un coste competitivo y ofreciendo además una notable robustez, pero hasta ahora esta tecnología ha arrastrado el inconveniente de basarse mucho en elementos químicos tóxicos.

Los puntos cuánticos son moléculas artificiales especiales de tamaños variables según la función, que contienen desde unos pocos átomos hasta cantidades elevadas de ellos, y que interactúan de maneras únicas con la luz y los campos magnéticos.

Unas nuevas células solares basadas en puntos cuánticos desarrolladas en el Laboratorio Nacional estadounidense de Los Álamos igualan la eficiencia de las células solares existentes basadas en puntos cuánticos, pero sin plomo u otros elementos tóxicos de los que dependen la mayoría de las células solares de este tipo. Así lo ha comprobado el equipo integrado, entre otros, por Victor Klimov y Jun Du, ambos del Laboratorio Nacional estadounidense de Los Álamos.

Los puntos cuánticos ya han encontrado muchos usos, y más están de camino. En particular, son emisores de luz muy eficientes. Se distinguen de otros tipos de materiales emisores de luz por el hecho de que su color no es fijo sino que puede ser fácilmente afinado ajustando el tamaño del punto cuántico. Esta propiedad ha sido utilizada en pantallas de televisores y de otros aparatos, y pronto ayudará a hacer bombillas más eficientes en las que el color sea ajustable.

Imagen, captada mediante microscopio electrónico, de electrodos con puntos cuánticos (izquierda) y las correspondientes distribuciones de cobre (Cu), indio (In), zinc (Zn) y selenio (Se) a través del espesor de la película. (Imágenes: Los Alamos National Laboratory)

La física de los cristales semiconductores de tamaño nanométrico preparados por síntesis coloidal ha fascinado a los científicos desde hace décadas. Debido a sus tamaños extremadamente pequeños (unos pocos nanómetros de diámetro) las propiedades de los nanocristales pueden ser manipuladas en el nivel más fundamental, el de la mecánica cuántica. De ahí que se les llame “puntos cuánticos”.

El tamaño ajustable de los puntos cuánticos es una propiedad que también los ayuda a capturar eficientemente la luz solar, lo cual es de gran utilidad en la conversión de la luz solar en electricidad. Las eficiencias de los modernos paneles solares basados en puntos cuánticos se acercan rápidamente a las de las placas solares basadas en una película delgada. Sin embargo, en la mayoría de los casos los paneles solares basados en puntos cuánticos contienen metales pesados altamente tóxicos como el plomo y el cadmio, lo que limita su utilidad práctica.

En las pruebas llevadas a cabo por el equipo de Klimov y Du, por cada 100 fotones absorbidos se detectaron 85 electrones fotogenerados, lo que implica que la eficiencia de conversión de fotones a electrones fue del 85 por ciento.

Las altas eficiencias de fotoconversión, combinadas con una notable tolerancia a los defectos y una composición libre de elementos tóxicos, hacen que estos puntos cuánticos sean materiales muy prometedores para la implementación de células solares baratas, fáciles de fabricar a escala industrial y potencialmente utilizables como producto “de usar y tirar”. (Fuente: NCYT Amazings)

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Paneles solares refrigerados sin consumir electricidad

Los paneles fotovoltaicos comerciales de silicio solo son capaces de transformar una pequeña porción de la luz solar absorbida en electricidad, mientras que el resto de la radiación se convierte en calor. Debido a que los paneles solares son menos eficientes por cada grado de aumento de la temperatura, el problema de la disipación de calor se agudiza en los ambientes cálidos.

Desafortunadamente, los esfuerzos para enfriar los paneles solares con técnicas convencionales, incluyendo aire acondicionado y otras formas de refrigeración, tienden a consumir más energía de la que se puede recuperar a través de aumentos de eficiencia de los paneles.

Ahora, un nuevo sistema de enfriamiento ha mejorado la eficiencia de un prototipo de panel solar hasta en un 20 por ciento y no requiere ninguna fuente de energía externa para funcionar.

Este logro es obra del equipo integrado, entre otros, por Peng Wang y Renyuan Li, ambos de la Universidad Rey Abdullah de Ciencia y Tecnología en Arabia Saudita.

Anteriormente, este equipo desarrolló un polímero que contiene cloruro de calcio, un poderoso desecante. Cuando se expone al aire húmedo, este material se expande gradualmente a medida que las sales de calcio arrastran agua al gel, duplicando finalmente su peso inicial. Al incorporar nanotubos de carbono que absorben el calor en la estructura del polímero, el equipo descubrió que podían invertir este ciclo y desencadenar la liberación de agua con la energía solar.

Cuando el gel está completamente lleno de agua, puede liberar suficiente agua para reducir la temperatura del panel en 10 grados centígrados. (Foto: © 2020 KAUST; Youssef A. Khalil)

Una de las propiedades del gel es su capacidad de autoadherirse a numerosas superficies, incluyendo la parte inferior de los paneles solares. Después de que experimentos controlados con luz solar artificial revelaron que un gel completamente lleno podía liberar suficiente agua para reducir las temperaturas de los paneles en 10 grados centígrados, el equipo decidió construir un prototipo para pruebas al aire libre en la universidad.

Durante las estaciones de verano e invierno, los investigadores observaron cómo el gel absorbía agua del aire húmedo de la noche y luego liberaba el líquido a medida que aumentaban las temperaturas diurnas, consiguiendo que los paneles solares aumentasen su eficiencia. (Fuente: NCYT Amazings)

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