Componentes fotovoltaicos que atrapan la luz

En 1995, mientras terminaba su licenciatura en física, Kylie Catchpole decidió apostar por un campo que estaba casi moribundo: la energía fotovoltaica. "De algún modo sentía que tendría dificultades para encontrar trabajo", recuerda. Sin embargo su apuesta funcionó. En 2006 Catchpole, que por entonces estaba en su etapa de post doctorado, descubrió algo que abrió la puerta a creación de células solares de película fina mucho más eficientes a la hora de convertir la luz en electricidad. Se trata de un avance que podría ayudar a que la energía solar fuera más competitiva frente a los combustibles fósiles.

Las células solares de película fina, hechas de materiales semiconductores como el silicio amorfo o el teluro de cadmio, son más baratas de producir que las células solares convencionales, hechas de obleas de silicio cristalino relativamente gruesas y caras. Sin embargo también son menos eficientes, puesto que si una célula es más delgada que el largo de la longitud de onda de la luz entrante, esa luz tiene menos probabilidades de ser absorbida y convertida. Con tan sólo unos pocos micrómetros de espesor, las células de película fina sólo absorben, débilmente, longitudes de onda en la parte del espectro del infrarrojo cercano; esa energía se pierde. El resultado es que los componentes fotovoltaicos de película fina convierten de un 8 a un 12 por ciento de la luz que entra en electricidad, frente al 14-19 por ciento del silicio cristalino. Por eso, son necesarias instalaciones más grandes para producir la misma cantidad de electricidad, lo que limita el número de lugares donde la tecnología puede ser utilizada.

Catchpole, que en la actualidad es miembro de investigación en la Universidad Nacional Australiana de Canberra, comenzó a trabajar en este problema en 2002 en la Universidad de New South Wales de Sydney. "Fue una cuestión de "vamos a empezar por el principio: ¿podemos diseñar una forma completamente distinta de fabricar células solares? ", señala. "Una de las cosas con las que me encontré fue la plasmónica--observando las extrañas propiedades ópticas de los metales."

Los plasmones son un tipo de onda que se mueve a través de los electrones en la superficie de un metal cuando son excitados por la luz incidente. Otros expertos han tratado de aprovechar los efectos plasmónicos para crear componentes fotovoltaicos convencional de silicio más eficientes, aunque nadie lo había intentado con células solares de película fina. Catchpole descubrió que las nanopartículas de plata que depositó en la superficie de una célula solar de silicio de película fina no reflejaba la luz de fondo que caía directamente sobre ella, como sucedería con un espejo. En su lugar, los plasmones que se formaron en la superficie de las partículas desviaron los fotones e hicieron que rebotasen hacia atrás y adelante dentro de la célula, permitiendo que fueran absorbidas unas mayores longitudes de onda.

Los dispositivos experimentales de Catchpole producen un 30 por ciento más de corriente eléctrica que las células de silicio convencionales de película fina. Si Catchpole logra integrar su tecnología de nanopartículas con los procesos utilizados para producir en masa películas finas comercialmente, podría cambiar el equilibrio de la tecnología utilizada en las células solares. Los componentes fotovoltaicos de película fina no sólo podrían aumentar su cuota de mercado (de hecho, actualmente sólo poseen un 30 por ciento del mercado en los Estados Unidos), sino mantener el crecimiento de la industria solar en general.

Hasta ahora, el silicio ha ido perdiendo terreno frente al teluro de cadmio como material de elección para las células solares de película fina. (First Solar, líder del mercado, está planificando una serie de parques solares a escala de gigavatios que utilizarán tecnología de película fina de teluro de cadmio para generar tanta electricidad como las centrales eléctricas convencionales.) No obstante el teluro es un material raro, y los expertos se preguntan si habrá provisiones para satisfacer un tipo de ambiciones tan altas. "Simplemente no hay teluro suficiente para marcar una diferencia sustancial en la manera de producir la energía del mundo", afirma Catchpole. "El silicio es el camino a seguir."

Catchpole ha sido contactada por varias empresas, aunque ella quiere pulir más la tecnología antes de su comercialización. Mientras tanto, los investigadores de la Universidad de Tecnología Swinburne en Melbourne están colaborando con Suntech Power, uno de los mayores fabricantes de células solares de silicio del mundo, para la creación de células de silicio de película fina plasmónica. Los componentes fotovoltaicos plasmónicos de la compañía se espera que estén listos para su producción en un plazo de cuatro años.

Fuente: Technology Review

Las bacterias púrpuras son mejores para obtener energía solar

Un estudio desarrollado en conjunto por ingenieros y científicos de la Universidad de Miami y de la Universidad de los Andes de Colombia concluye que las bacterias púrpuras, microscópicos organismos unicelulares con presencia en la Tierra desde hace miles de millones de años, podrían ser ampliamente efectivas para la generación de energía solar, aventajando a otros sistemas empleados en la actualidad. Asimismo, la investigación entiende que estas bacterias y el mecanismo natural que emplean serían ideales para su uso en paneles solares y otros dispositivos de conversión de energía. Por Pablo Javier Piacente.

Las bacterias púrpuras, antiguos microorganismos unicelulares, podrían convertirse en un futuro cercano en la herramienta por excelencia para obtener energía solar. De acuerdo a una investigación efectuada por ingenieros y especialistas norteamericanos y colombianos, estas bacterias poseen un diseño biológico que contiene las propiedades necesarias para su empleo en paneles solares y otros sistemas similares, alcanzando una efectividad superior en la producción energética con respecto a otros métodos empleados en la actualidad.

Lo cierto es que las denominadas bacterias púrpuras se encontraban entre las primeras formas de vida presentes en la Tierra. Son organismos microscópicos unicelulares, que desempeñan un papel vital en el mantenimiento del ciclo de la vida en el planeta. Este pequeño organismo puede hallarse en ambientes acuáticos, como por ejemplo en el fondo de los lagos o en las zonas de corales bajo el mar.

Emplean la luz solar como fuente de energía, y de acuerdo a la investigación interdisciplinaria conducida por Neil Johnson, un científico del College of Arts and Sciences de la Universidad de Miami, el diseño natural que utilizan podría transformarse en la solución estructural más eficiente para generar energía solar.

Johnson y su equipo, conformado por distintos especialistas de la Universidad de Miami y de la Universidad de los Andes de Colombia, creen que estas bacterias y el método que emplean para captar la energía del sol podría ser adaptado para su uso en paneles solares y otros dispositivos similares, obteniendo amplias mejoras en la producción de este tipo de energía limpia y renovable.

Diseños naturales con aplicación energética

La investigación desarrollada por este grupo de ingenieros, físicos y otros especialistas de las mencionadas casas de estudio fue difundida originalmente a través de una nota de prensa de la Universidad de Miami. Con posterioridad, el anuncio de la universidad norteamericana fue reproducido en un artículo del medio especializado Science Daily y fue publicado en el prestigioso Physical Review Letters.

Los investigadores recalcan que estas bacterias han existido desde hace miles de millones de años, y que se trata de organismos muy simples, lo que llevaría a pensar en primera instancia que la ciencia ya sabe todo de ellos. Sin embargo, recientemente han sido halladas nuevas características de las bacterias púrpuras que podrían tener diferentes aplicaciones.

En ese contexto, el estudio de Johnson y sus colegas se centra en desarrollar un modelo matemático que permita describir los diseños naturales que adoptan estas bacterias, investigando a su vez como podría ayudar ese funcionamiento biológico para diseñar futuros dispositivos fotoeléctricos.

Según el estudio, las bacterias púrpuras se adaptan a diferentes intensidades de luz, cambiando la disposición de su mecanismo de recolección energética para hacerlo más efectivo en cada ocasión. Las bacterias captan los fotones mediante una estructura especial, denominada membrana fotosintética.



Un mecanismo natural inteligente

Una deducción primaria indicaría que las bacterias abren en mayor medida esa estructura empleada para captar la energía solar cuando reciben más luz. Sin embargo, el diseño natural no siempre sigue caminos tan lógicos o lineales, y el funcionamiento de este sistema de captación energética en las bacterias púrpuras es un ejemplo claro de ello.

Es que con la llegada de cada nueva generación, las bacterias púrpuras crean un diseño que equilibra dos cuestiones: por un lado, la necesidad de maximizar el número de fotones capturados para convertirlos en energía química y, por otro, la protección que requiere la membrana fotosintética ante un exceso de energía solar que podría dañarla.

En consecuencia, los investigadores trabajan actualmente para hallar la forma en la que estas bacterias encuentran el punto o medida exacta para incrementar la generación energética sin comprometer su estructura, perdiendo al mismo tiempo la menor cantidad de energía en ese proceso de protección. La efectividad de este mecanismo natural podría ser realmente muy útil en su aplicación en distintos dispositivos solares.

De esta manera, nuevos dispositivos electrónicos especialmente adaptados con bacterias fotosintéticas podrían guiar el desarrollo de paneles solares que se adapten a diferentes intensidades de luz, sin perder energía en las diferentes fases del proceso. En la actualidad, los investigadores están utilizando un modelo matemático y la ayuda de supercomputadoras para tratar de hallar las características más profundas del diseño fotosintético empleado por las bacterias púrpuras.

Fuente: Tendencias21

Combustible Solar

Cuando Noubar Afeyan, director general de Flagship Ventures en Cambridge, Massachusetts, se propuso inventar el combustible renovable ideal, decidió prescindir de los intermediarios. Los biocombustibles proceden, en última instancia, del dióxido de carbono y el agua, así que ¿por qué insistir en elaborarlos a partir de la biomasa—maíz, pasto o algas? "Lo que queríamos saber," afirma Afeyan, "es si podíamos diseñar un sistema capaz de convertir el dióxido de carbono directamente en cualquier combustible que quisiéramos."

La respuesta parece ser afirmativa, según apunta Joule Biotechnologies, la compañía que fundó Afeyan (también en Cambridge) para el diseño de este nuevo combustible. Mediante la manipulación y el diseño de genes, Joule ha creado microorganismos fotosintéticos que utilizan la luz solar para convertir el dióxido de carbono de manera eficiente en etanol o diesel—la primera vez que esto se ha hecho jamás, según señala la compañía. Joule cultiva los microbios en fotobioreactores que no necesitan agua dulce y ocupan sólo una fracción de los terrenos necesarios para los métodos basados en biomasa. Las criaturas secretan el combustible continuamente, por lo que su recolecta resulta sencilla. Los exámenes de laboratorio y los ensayos a escala reducida llevan a Afeyan a estimar que el proceso produciría 100 veces más combustible por hectárea que la fermentación de maíz para producir etanol, y 10 veces más que a partir de fuentes como los residuos agrícolas. Afirma que los costes podrían ser competitivos con los de los combustibles fósiles.

Si Afeyan tiene razón, los biocombustibles podrían ser una alternativa al petróleo en una escala mucho más amplia de lo que nunca hubiera parecido posible. El suministro de biocombustibles convencionales, tales como los derivados del maíz, se ve limitado por la gran cantidad de agua y tierras agrícolas necesarias para cultivar las plantas de las que están hechos. Y mientras que los biocarburantes avanzados requieren menos agua y no necesitan tierra de alta calidad, su potencial está limitado por los procesos múltiples, y de alto coste, necesarios para fabricarlos. Como resultado, la Agencia Internacional de Energía estima que en 2050, el biodiesel y el etanol sólo cubrirán el 26 por ciento de la demanda mundial de combustible para el transporte.

Los bioingenieros de Joule han equipado a sus microorganismos con un interruptor genético que limita el crecimiento. Los científicos les permiten multiplicarse sólo un par de días antes de activar el interruptor para desviar la energía de los organismos del crecimiento a la producción de combustible. Mientras que otras compañías tratan de cultivar la mayor cantidad de biomasa posible, Afeyan afirma querer "generar la menor cantidad de biomasa que pueda." A nivel retrospectivo, el método podría parecer obvio. De hecho, la startup Synthetic Genomics y un grupo académico en el Instituto de Biotecnología de la Universidad de Minnesota también están trabajando para que los combustibles se fabriquen directamente del dióxido de carbono. Joule espera tener éxito gracias al desarrollo de sus organismos y de sus fotobiorreactores desde cero, para que así funcionen perfectamente juntos.

Aún así, es una estrategia arriesgada, puesto que se aparta de los procesos ya establecidos. Por lo general, las startups se establecen con la determinación de hacer algo novedoso, afirma James Collins, profesor de ingeniería biomédica en la Universidad de Boston y miembro del comité científico asesor de Joule, "y rápidamente pasan a tratar de encontrar algo que funcione ... algo no tan novedoso y que esté bien establecido." Afeyan, sin embargo, ha hecho que la empresa siga al frente de la innovación. Este verano, pasará de hacer ajustes a escala de laboratorio a una planta piloto al aire libre que en la actualidad se encuentra bajo construcción en Leander, Texas.

Tanto como capitalista de riesgo y técnico—que recibió su doctorado en ingeniería química de MIT en 1987—Afeyan es plenamente consciente de los retos a la hora de demostrar que un nuevo proceso puede operar económicamente y generar combustible en grandes volúmenes. Para minimizar los riesgos financieros, dirigió a Joule hacia un proceso modular que no requiere la instalación de plantas de demostración grandes y costosas.

"No estoy diciendo que sea fácil, o que esté a la vuelta de la esquina, porque llevo haciendo esto desde hace mucho tiempo", señala Afeyan. No obstante, cree que Joule tiene algo grande entre manos: un combustible renovable que podría competir con los combustibles fósiles en cuanto a costes y a escala. Afirma: "Tenemos los elementos de una tecnología potencialmente transformadora".

Fuente: technology Review

Desalación con energía solar

Arabia Saudí cubre gran parte de sus necesidades de agua potable mediante la eliminación de la sal y otros minerales del agua marina. En la actualidad, el país tiene previsto utilizar uno de sus recursos más abundantes para hacer frente a su escasez de agua dulce: el sol. La agencia nacional de investigación de Arabia Saudí, la Ciudad para la Ciencia y la Tecnología del rey Abdulaziz (la KACST, en sus siglas en inglés), está construyendo lo que será la mayor planta mundial de desalinización mediante energía solar en la ciudad de Al-Khafji.

La planta utilizará un nuevo tipo de tecnología de concentración solar fotovoltaica (FV), así como nuevas tecnologías de filtración de agua, que la KACST ha desarrollado junto a IBM. Cuando se haya completado a finales de 2012, la planta producirá 30.000 metros cúbicos de agua desalada al día para satisfacer las necesidades de 100.000 personas.

El objetivo principal de la KACST es reducir el coste de la desalinización del agua. La mitad de los gastos de funcionamiento de una planta de desalación en la actualidad provienen del consumo de la energía, y la mayoría de las plantas actuales funcionan con combustibles fósiles. Dependiendo del precio del combustible, producir un metro cúbico cuesta en la actualidad entre 40 y 90 centavos.

La reducción de costes no es la única razón por la que llevamos soñando con la unión de las energías renovables y el proceso de desalación durante décadas, afirma Lisa Henthorne, directora de la Asociación Internacional de Desalación. "Será buena cualquier cosa que podamos hacer para reducir este coste a lo largo del tiempo, o para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero asociados con ese consumo de energía", afirma Henthorne. "Esta es realmente una demostración con el fin de pulir los errores, y ver si las tecnologías pueden funcionar bien juntas."

Si bien la nueva tecnología FV concentrada podría generar electricidad a precios asequibles, la energía solar todavía cuesta más que los combustibles fósiles en muchas partes del mundo. No obstante, a pesar de los altos costes, utilizarla para los procesos de desalinización tiene sentido, señala Henthorne. "No lo hacemos porque sea lo más barato ahora mismo, sino porque sería lo más barato a largo plazo."

Las plantas de desalinización suelen utilizar procesos de destilación. La mayoría de las plantas de próxima apertura, entre ellas la de Al-Khafji, utilizarán un proceso llamado ósmosis inversa, que hace pasar el agua marina a través de una membrana de polímero y utilizando la presión para filtrar la sal. Ambos métodos son de alto consumo energético. Arabia Saudí, el principal productor de agua desalinizada en el mundo, utiliza 1,5 millones de barriles de petróleo al día en sus plantas, según Arab News.

La FV concentrada de la nueva planta y los sistemas de ósmosis inversa utilizarán materiales avanzados y desarrollados por IBM para la fabricación de chips de ordenador.

En una instalación fotovoltaica concentrada, las lentes o espejos enfocan la luz del sol en unas células solares ultra-eficientes que convierten la luz en electricidad. La idea es reducir los costes al utilizar menos materiales semiconductores de células solares. Sin embargo, al multiplicar la energía del sol cientos de veces se crea una gran cantidad de calor. "Si no enfriamos el dispositivo, se terminan sobrecalentando los circuitos y podemos destruirlos", afirma Sharon Nunes, que ocupa la vicepresidencia de Grandes Innovaciones Verdes de IBM. La solución de IBM consiste en utilizar un metal líquido altamente conductor—una aleación de galio indio—en la parte inferior de los chips de ordenador de silicio para extraer el calor. Al usar este metal líquido, los investigadores han sido capaces de concentrar el poder del sol 2.300 veces sobre un dispositivo solar de un centímetro cuadrado. Eso es tres veces superior a lo que es posible con los sistemas de concentración actuales, afirma Nunes.

Para la desalinización, IBM ha trabajado con investigadores de la Universidad de Texas en Austin para desarrollar una membrana sólida que hace que la ósmosis inversa sea más eficiente en cuanto a energía. La desalinización se lleva a cabo hoy día con membranas de poliamida que acaban atascándose con el aceite y los organismos del agua marina. El cloro utilizado para el tratamiento previo del agua marina también acaba descomponiendo las membranas con el paso del tiempo.

La nueva membrana de polímero contiene alcoholes de hexafluoro, un material que IBM utiliza para los patrones de los circuitos de cobre en los chips de ordenador. A un pH elevado, los grupos de flúor se cargan y protegen la membrana contra el cloro y las obstrucciones. Como resultado, el agua fluye a través de ellas entre un 25 y un 50 por ciento más rápidamente que a través de las membranas de ósmosis inversa usadas en la actualidad, según señala IBM.

La nueva membrana elimina el 99,5 por ciento de la sal en el agua marina. Esto es comparable con las membranas de poliamida convencionales, afirma Menachem Elimelech, presidente de ingeniería química en la Universidad de Yale. "Hay que lograr este alto nivel de rechazo, de lo contrario no podríamos conseguir una buena calidad de agua con sólo una pasada, y habría que desalar de nuevo".

La planta desalinizadora de Al-Khafji es el primer paso dentro de un programa de energía solar de tres pasos puesto en marcha por la KACST para reducir los costes de la desalinización. El segundo paso será una instalación de 300.000 metros cúbicos, y en la tercera fase participarán varias plantas de desalinización mediante energía solar localizadas en diversos puntos.

Fuente: technology review

Despega el avión solar

Hoy ha despegado por primera vez desde el aeropuerto de Payerne, en Suiza, el avión desarrollado por Solar Impulse. El proyecto pretende dar la vuelta al mundo en un avión de escaso peso y cuya única fuente de energía es el Sol, gracias a unas placas solares que cubren completamente las alas del aparato. De momento, esta primera prueba de vuelo pretende verificar los cálculos de vuelo llevados a cabo por los ingenieros

La persona encargada de pilotar el prototipo de avión ha sido Markus Scherdel y la duración del vuelo, han explicado desde Solar Impulse, ha sido de 87 minutos. El avión ha alcanzado una altitud de 1.200 metros, lo que ha permitido comprobar si los cálculos matemáticos y simulaciones realizadas a cabo hasta el momento son correctas. Según ha explicado el piloto al bajar del avión, "este primer vuelo ha sido un momento muy intenso, después de siete años de investigación, pruebas y perseverancia"

El avión diseñado por Solar Impulse es muy ligero, apenas tiene un peso de 1.600 kilos (un Boeing 747 cuando despega pesa más de 400.000 kilos) y una envergadura de 60 metros. Sus alas están totalmente recubiertas de células fotovoltaicas, en total 12.000, que le permiten aprovechar la energía solar para volar. Está fabricado en fibra de carbono y posee una batería de polímeros de litio de unos 400 kilos que le permiten acumular suficiente energía durante el día para poder volar de noche.

El equipo de Solar Impulse está formado por unas 70 personas y unos 80 patrocinadores que trabajan juntos desde hace más de seis años para conseguir dar la vuelta al mundo en avión, movidos únicamente con energías renovables.

Fuente: Muyinteresante

Nueva técnica para convertir la energía solar en azúcares

Ingenieros e investigadores de la Universidad de Cincinnati han desarrollado una nueva técnica para convertir la energía solar en azúcares. La metodología podría emplearse para producir biocombustibles con un mayor aprovechamiento del potencial energético, eliminando dióxido de carbono del aire y sin afectar superficies de tierra para cultivo. El avance se obtuvo al analizar una sustancia natural empleada por especies de ranas tropicales y plantas para aprovechar la energía solar

Un trabajo de especialistas de la Universidad de Cincinnati ha permitido desarrollar una nueva metodología para transformar la energía solar en azúcares, para posteriormente producir biocombustibles. La gran ventaja del sistema es que logra optimizar la generación de energía, disminuyendo el dióxido de carbono presente en el aire y sin requerir cultivos que puedan competir con el desarrollo de producciones de tipo alimenticio. El nuevo método nació de la observación de sistemas naturales que llevan adelante diferentes especies vegetales y ranas. Se sabe que durante mucho tiempo los agricultores han estado tratando de encontrar maneras de obtener más energía del sol, y esa obsesión se ha trasladado ahora a la producción de energías alternativas, como los biocombustibles o la energía solar. El propósito es incrementar la eficiencia de este tipo de producción energética. Los expertos de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas y el Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Cincinnati han creado una revolucionaria metodología para tomar la energía del sol y el dióxido de carbono del aire para crear nuevas formas de biocombustibles. El avance, difundido a través de una nota de prensa de la Universidad de Cincinnati y publicado en los medios especializados Nano Letters y Science Daily, se ideó gracias a el comportamiento de una especie de ranas tropicales y distintas variedades de plantas, que aprovechan la fotosíntesis para generar una sustancia natural de gran eficacia energética.

Desde la naturaleza Justamente, el trabajo se centró en desarrollar en laboratorio esa sustancia a través de fotosíntesis artificial. Las plantas, bacterias, hongos y ranas estudiadas emplean una espuma específica producida en forma natural, que se utiliza para producir azúcares a partir de la luz solar y el dióxido de carbono. La sustancia en cuestión se coloca en una estructura que permite concentrar los reactivos, logrando una captación muy efectiva de los componentes requeridos en la luz solar y el aire. Justamente, el diseño se basó en los nidos de espuma que crea la rana semi-tropical Tungara, empleándolos durante el crecimiento de los renacuajos en desarrollo. La ventaja principal del nuevo sistema, desarrollado en forma artificial, es que toda la energía solar captada se transforma en azúcares, mientras que en el entorno natural los organismos deben desviar una gran cantidad de energía a otras funciones para mantener su vida y reproducirse. Asimismo, la espuma indicada suma otro gran beneficio: no se requieren cultivos. De esta manera, la producción de alimentos no se ve interrumpida, cuando justamente este punto es uno de los que concentra las mayores críticas con relación al desarrollo de los biocombustibles, una de las energías alternativas más difundidas a nivel mundial.

Ecología y eficiencia energética El sistema también funciona en ambientes con un alto nivel de dióxido de carbono, cuando en la naturaleza esta condición detendría el proceso de fotosíntesis. Es así que esta sustancia y el proceso desarrollado en forma artificial en Cincinnati podrían ser efectivos en entornos como centrales carboeléctricas, por ejemplo. Los azúcares producidos pueden utilizarse para el desarrollo de etanol y otros biocombustibles, eliminando el dióxido de carbono del aire y manteniendo las tierras de cultivo actuales para la producción de alimentos. Un doble beneficio, tanto desde el costado ecológico como desde una mayor eficiencia en la producción energética. Según los ingenieros encargados de la investigación, esta nueva tecnología crea una forma económica y ecológica de aprovechar la fisiología de los sistemas vivos para desarrollar una nueva generación de sustancias y materiales a emplear en la producción de energías alternativas. La nueva forma para obtener energía solar, que toma el funcionamiento de estructuras naturales para desarrollar métodos de ingeniería energética, se podría emplear además en el futuro para producir petróleo o hasta alimentos, si se logra que la tecnología sea viable para aplicaciones a gran escala y de mayor complejidad.

Fuente: Tendencias21
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Crean material fotovoltaico para células solares más efectivo y económico

Un nuevo material fotovoltaico tiene un rendimiento igual al encontrado en las mejores células solares de hoy día, aunque promete ser significativamente más barato. El material, creado por investigadores en Caltech, consiste en una matriz flexible de microcables de silicio absorbentes de luz y unas nanopartículas de metal reflectantes de luz incrustadas dentro de un polímero.

Los modelos computacionales sugieren que el material podría usarse para fabricar células solares capaces de convertir entre un 15 y un 20 por ciento de la energía de la luz del sol en electricidad—a la par con las células de silicio de alto rendimiento actuales. No obstante el material requeriría sólo un 1 por ciento de los materiales usados hoy día, lo que en potencia conllevaría una reducción dramática en los costes. Los investigadores fueron dirigidos por Harry Atwater, profesor de física aplicada y ciencias de los materiales en Caltech.

Lo principal del rendimiento del nuevo material es su capacidad para atrapar la luz. Cuando más tiempo rebote un fotón dentro de la parte activa de cualquier célula solar, más probabilidades existen de que libere un electrón. Todas las células solares de alto rendimiento poseen capas antirreflectantes que ayudan a atrapar la luz. Sin embargo estas células utilizan mucho más silicio y deben extraerse a partir de obleas más grandes, un proceso que genera muchos desperdicios.

“Siempre se ha pensado que la luz podría atraparse usando menos silicio y bajando los costes, sin embargo hasta ahora no ha sido fácil conseguirlo,” afirma Eli Yablanovitch, profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de California, Berkeley, y que no estuvo involucrado con la investigación.

Muchos grupos han centrado su atención en estructuras como las de los nanocables y los microcables para poder solucionar este problema. El material fotovoltáico del grupo de Caltech, que utiliza microcables de silicio, demuestra un nuevo nivel de rendimiento en gran parte debido a la adición de nanopartículas reflectantes.

El grupo de Atwater cultivó matrices de microcables de silicio a partir de un gas sobre la superficie de una plantilla reutilizable. La plantilla dicta el grosor del cultivo del bosque de cables, y el diámetro de cada cable. Las matrices se distribuyen unas separadas de las otras, y si no son sometidas a un tratamiento adicional no consiguen crear un buen material solar. Sin embargo los cables son tratados con una capa antirreflectante y con un polímero elástico mezclado con nanopartículas de alúmina altamente reflectantes. Una vez que el polímero se asienta, el resultado completo se puede pelar como si fuera una pegatina. Más del 90 por ciento del material resultante está compuesto de un tipo de polímero de bajo coste, y la plantilla se puede usar una y otra vez.

“Estos materiales son maleables, aunque tienen las propiedades de una oblea de silicio,” afirma Atwater. Cuando la luz alcanza la superficie solar, empieza rebotar por todas partes, reflejándose en las partículas de alúmina hasta ser absorbida por un microcable

A pesar de que las matrices de microcables son bastante escasas, las partículas reflectantes se aseguran de que se escape muy poca cantidad de luz antes de ser absorbida. El grupo de Caltech aún no ha publicado los detalles del rendimiento del material como parte de una célula solar, aunque el compuesto ha logrado demostrar cifras muy buenas en cuanto a absorción de luz y recolecta de electrones.

“Una célula solar tiene que hacer tres cosas: tiene que absorber la luz, recolectar todos los electrones y generar energía,” afirma Atwater. El material puede absorber un 85 por ciento de la luz del sol que lo alcanza, y un 95 por ciento de los fotones en esta luz generarán un electrón. Hasta que los resultados sean publicados, el grupo de Caltech no hará públicos los resultados en cuanto a generación de energía.

“Lo que resulta más interesante es que podemos usar mucho menos material para crear una célula solar—dos órdenes de magnitud menos,” afirma Yi Cui, profesor de ciencias de los materiales en la Universidad de Stanford. Esto no sólo bajará los costes de los materiales. “Una vez que usemos menos material para la deposición, la línea de manufactura se hace más corta,” explica Cui. Esto tiene dos implicaciones empresariales: debería ser necesario un menor capital de inversión para construir las fábricas necesarias para elaborar las células, y debería ser posible su producción a una cuota más rápida.

En la actualidad el grupo de Atwater está trabajando en la construcción del material fotovoltaico sobre un área más grande, así como en su incorporación dentro de unos prototipos de célula solar. Los resultados publicados hasta ahora proceden de unos experimentos de prueba de concepto utilizando centímetros cuadrados del material. “Tenemos que llevar a cabo el proceso de ingeniería normal y nada glamoroso: fabricar contactos eléctricos de baja resistencia, y crear grandes áreas, de cientos de centímetros cuadrados,” señala Atwater. Añade que aunque el material está elaborado de forma novedosa, se puede fabricar utilizando una combinación de técnicas actualmente bien establecidas y escalables.

Fuente: Technologyreview

Unas microcélulas solares capaces de funcionar con luz solar más intensa

Una startup espera poder reducir el coste de la generación de energía con luz solar concentrada mediante el uso de células solares a microescala capaces de utilizar el doble de luz que el resto de paneles, sin tener que hacer uso de componentes ópticos de alto coste o de sistemas de refrigeración. Los paneles fabricados con estas diminutas células, que la compañía Semprius, con sede en Durham, Carolina del Norte, ha desarrollado utilizando una novedosa tecnología de microimpresión, también ofrecen ahorros significativos en cuanto al coste de los materiales. A finales de enero, la compañía anunció un acuerdo conjunto con Siemens para desarrollar sistemas de demostración basados en su tecnología. Semprius tiene previsto empezar la producción a gran volumen de los módulos en 2013.

Al añadir lentes concentradoras a los paneles solares se logra incrementar la cantidad de electricidad que pueden producir. Sin embargo los concentradores fotovoltaicos añaden una gran cantidad de gastos a las instalaciones solares. Los sistemas ópticos por sí mismos son caros y de gran volumen—cuando más grande sea la célula, más grandes tienen que ser las lentes con las que se emparejen. Un tipo de luz más intensa también hay que disipar una mayor cantidad del tipo de calor que provoca la degradación del rendimiento, y para ello es preciso usar disipadores de calor o ventiladores. Aunque el coste se ve parcialmente compensado por la eficiencia de los componentes fotovoltaicos de alta concentración, también limita la energía potencial de este tipo de sistemas de concentración. Los dos principales proveedores de módulos solares concentrados, Amonix y Emcore, venden sistemas basados en células de tamaño convencional capaces de operar a 500 veces la concentración de la luz solar y usando unos costosos sistemas de enfriado.

Los módulos solares de Semprius contienen matrices de células cuadradas de sólo 600 micrómetros en cada lado. Estas células poseen tres capas de semiconductor—cada una de las cuales está basada en arsienuro de galio y absorbe un banda de luz solar distinta—y están fabricadas usando una combinación de grabado químico e impresión, lo que significa que se desperdicia una menor cantidad de material. Son capaces de operar bajo luz solar concentrada hasta 1.000 veces, y utilizando sistemas ópticos de bajo coste. Según los Laboratorios Nacionales de Energía Renovable, la eficiencia de los módulos resultantes va desde un 25 a un 35 por ciento, y pueden proporcionar electricidad por alrededor de 10 centavos por kilovatio hora. La compañía espera que el coste final esté entre 2 y 3 dólares por vatio.


El año pasado, un estudio realizado por investigadores de los Laboratorios Nacionales Sandia en Alburquerque, Nuevo México, sugirió que las células solares a microescala podrían ofrecer varias ventajas en cuanto a coste y diseño. “Se reduce la cantidad de semiconductor necesaria, por lo que se produce un gran ahorro de costes,” afirma Gregory Nielson, científico jefe del proyecto Sandia. “Y con los componentes ópticos se pueden hacer cosas que no podemos hacer con las células de mayor tamaño.”


Las células solares más pequeñas son más eficientes a la hora de disipar el calor. “Cuando las células están por debajo de un milímetro, rechazan el calor de forma tan eficiente que alcanzan la temperatura de un panel solar,” sin necesidad de usar sistemas de enfriado, señala Nielson. Esto de debe a que las diminutas células tienen un porcentaje mucho mayor del área total destinada a los bordes disipadores de calor.


La clave para fabricar las células de Semprius es un proceso de impresión desarrollado por un grupo de investigadores dirigidos por John Rogers, profesor de ciencias de los materiales e ingeniería en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.

Las células solares normalmente se fabrican mediante la construcción de capas activas sobre la superficie de una oblea semiconductora, y después se corta dicha oblea en trozos. El proceso de impresión de Semprius comienza con el tratamiento de las obleas de un modo bastante similar. Sin embargo, en vez de cortarlas, la compañía utiliza técnicas de grabado químico para marcar la superficie de la oblea y crear células a escala microscópica, dejándolas unidas a la superficie de la oblea. Lo principal del proceso de grabado es la inclusión de una capa de sacrificio en el momento de tratar las obleas. El grabador químico corroe esta capa, partiendo las células de la superficie. Después un robot con un sello de polímero se coloca sobre la oblea, recogiendo las células y colocándolas sobre una matriz de soporte de cerámica impresa con contactos eléctricos. El proceso utiliza sólo una fina capa de la superficie de la oblea, que se puede devolver a la fundición para volver a ser utilizada. Cada oblea de cuatro pulgadas se puede usar para producir 36.000 células.

Después sobre cada célula se colocan unas diminutas lentes de bola esférica. “Normalmente se forma un enorme punto en el centro de la célula, pero la lente de bolas distribuye uniformemente la luz,” señala Joseph Carr, director general de Semprius. Estas lentes capturan la luz del sol desde un amplio ángulo. Finalmente, las células se agrupan en matrices de 14 pulgadas, y sobre ellas se colocan unas lentes de silicio capaces de dirigir la luz del sol sobre las lentes globulares más pequeñas. Esto hace que el sistema concentre la luz solar 1.000 veces. Estas matrices se colocan sobre un seguidor de luz para construir módulos solares de 18 por 8 pies.

Semprius tiene planeado otorgar la licencia de su tecnología de impresión para permitir el volumen de producción de los módulos que se espera en 2013. La compañía planea desarrollar sistemas de control del seguimiento solar con Siemens, y desarrollar aún más su tecnología de microimpresión, que es compatible con una variedad de materiales semiconductores, entre los que se incluye el silicio.

Fuente: Technologyreview.com