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La nanomatriz de Princeton casi triplica la eficiencia de las células solares

Existe un enorme potencial en la energía solar. El sol es una bola gigante de hidrógeno ardiente en el cielo, y permanecerá al menos durante algunos miles de millones de años más. A todos los efectos, es una fuente de energía gratuita. Lamentablemente, la humanidad no ha sido muy buena aprovechando su poder directamente. Nuestros métodos actuales para capturar la energía del sol son muy ineficientes. Por ejemplo, las células solares modernas basadas en silicio e indio-óxido de estaño se están acercando al límite teórico del 33,7% de eficiencia. Bueno, un equipo de investigación de Princeton ha utilizado la nanotecnología para crear una malla que aumenta la eficiencia sobre las células solares orgánicas casi tres veces.

Dirigido por Stephen Chou, el equipo ha realizado dos mejoras dramáticas: reducir la reflectividad y capturar de forma más eficaz la luz que no se refleja. Como puede ver en la siguiente ilustración de Dimitri Karetnikov, la nueva celda solar de Princeton es mucho más delgada y menos reflectante. Al utilizar plástico y metal intercalados con la nanomedicina, esta llamada «Cavidad plasmónica con matriz de orificios de longitud de onda inferior» o «PlaCSH» reduce sustancialmente la posibilidad de perder la luz en sí. De hecho, solo refleja alrededor del 4% de la luz solar directa, lo que lleva a una eficiencia un 52% más alta que las células solares orgánicas convencionales.

Célula solar normal frente a PlaCSH, reflectividad

PlaCSH también es capaz de capturar una gran cantidad de luz solar incluso cuando la luz solar se dispersa en días nublados, lo que da como resultado un sorprendente aumento del 81% en la eficiencia en condiciones de iluminación indirecta en comparación con la tecnología convencional de células solares orgánicas. En total, PlaCSH es hasta un 175% más eficiente que las células solares convencionales. Como puede ver en la imagen de la derecha, la diferencia de reflectividad entre las células solares convencionales y PlaCSH es realmente bastante dramática.

La malla dorada que se encuentra en la parte superior es increíblemente pequeña. Tiene solo 30 nanómetros de espesor. Los orificios en la malla tienen un diámetro de tan solo 175 nm. Esto reemplaza la capa superior tradicional mucho más gruesa hecha de óxido de indio-estaño (ITO). Ésta es la parte más importante de la innovación. Debido a que la malla es en realidad más pequeña que la longitud de onda de la luz que está tratando de recolectar, explota la extraña forma en que la luz funciona en estructuras de sub-longitud de onda. Esta propiedad física única permite a los investigadores capturar de manera efectiva la luz una vez que ingresa a los orificios de la malla en lugar de dejar que gran parte de ella se refleje. La capa inferior de la celda sigue siendo la misma, pero esta implementación permite que la capa semiconductora de plástico en el medio de la celda sea mucho más delgada.

El beneficio de nanomesh

El equipo de investigación cree que las células se pueden fabricar de forma rentable utilizando un método de nanofabricación que el propio Chou inventó hace más de una década. Lo más importante es que reemplaza el costoso elemento ITO de las células solares. Esto será asequible y mucho más flexible que la frágil capa ITO de las células solares tradicionales. Si bien aún se están realizando investigaciones utilizando materiales semiconductores distintos del plástico, este método también debería funcionar para las células solares de silicio y arseniuro de galio, por lo que podrá reducir el tamaño y el costo de las mismas drásticamente al tiempo que proporciona beneficios de eficiencia similares.

Todo esto es muy nuevo y la información solo se publicó en Internet en las últimas semanas, pero esta tecnología tiene el potencial de hacer que la energía solar sea una inversión financieramente sólida para más personas. No solo podremos generar más energía, sino que utilizará menos recursos para fabricar las células. Obviamente, seguiremos usando combustibles fósiles durante las próximas décadas, pero esta investigación y otros avances como este están acelerando la velocidad a la que podemos pasar a fuentes de energía alternativas. (Lo que probablemente sea algo bueno, considerando que las esferas de Dyson que abarcan estrellas aún están a algunos años de convertirse en realidad …)

Ahora lea: ¿La caída del mercado solar es temporal o es una tendencia a largo plazo?

Trabajo de investigación: http://dx.doi.org/10.1364/OE.21.000A60 – «Células solares orgánicas ultrafinas, de alta eficiencia, de banda ancha, de omnipresencia mejoradas por una cavidad plasmónica con una matriz de orificios de sublongitud de onda»

[Image Credit: Jumanji Solar]