5 paneles solares inusuales del futuro

Hoy paneles solares de silicio - lejos del final en el camino para frenar la energía de la luz solar y su conversión en energía eléctrica útil. Los científicos todavía están realizando muchos trabajos, y en este artículo consideraremos cinco soluciones inusuales que algunos de los investigadores modernos están desarrollando.

Se construye el Laboratorio Nacional Americano de Energía Renovable (NREL) Una batería solar basada en cristales semiconductores, cuyos tamaños no exceden varios nanómetros, estos son los llamados puntos cuánticos. La muestra ya es un campeón en términos de eficiencia cuántica externa e interna, que ascendieron a 114% y 130%, respectivamente.

Estas características muestran la relación del número de pares de electrones-agujero generados al número de fotones incidentes en la muestra (eficiencia cuántica externa) y la relación del número de electrones generados al número de fotones absorbidos (eficiencia cuántica interna) para una frecuencia determinada.

La eficiencia cuántica externa es menor que la interna, ya que no todos los fotones absorbidos participan en la generación, y algunos de los fotones incidentes en el panel simplemente se reflejan.

La muestra consta de las siguientes partes: un vidrio en un revestimiento antirreflectante, una capa de un conductor transparente, luego capas nanoestructuradas de óxido de zinc y puntos cuánticos de seleniuro de plomo, luego etanoditiol e hidrazina, y una capa delgada de oro como electrodo superior.

La eficiencia total de una celda de este tipo es de aproximadamente 4.5%, pero esto es suficiente para la eficiencia cuántica bastante alta obtenida experimentalmente de esta combinación de materiales, lo que significa que la optimización y la mejora están por delante.

Ni una sola célula solar ha mostrado una eficiencia cuántica externa superior al 100%, mientras que la singularidad de este desarrollo NREL radica en el hecho de que cada fotón que cae sobre la batería crea más de un par de agujeros de electrones en la salida.

La razón del éxito fue la generación múltiple de excitones (MEG), un efecto que se utilizó por primera vez para crear una batería solar completa capaz de generar electricidad. La intensidad del efecto está asociada con los parámetros del material, con el intervalo de banda en el semiconductor, así como con la energía del fotón incidente.

El tamaño del cristal es crucial, ya que es dentro de un pequeño volumen que los puntos cuánticos limitan los portadores de carga y pueden recoger el exceso de energía, de lo contrario, esta energía simplemente se perdería en forma de calor.

El laboratorio cree que los elementos basados ​​en el efecto MEG son candidatos muy valiosos para el título de una nueva generación de paneles solares.

Prashant Kamat, de la Universidad de Notre Dame, sugirió otro enfoque inusual para crear células solares. Su grupo desarrolló un colorante basado en puntos cuánticos de dióxido de titanio recubiertos con sulfuro de cadmio y seleniuro de cadmio en forma de una mezcla de agua y alcohol.

La pasta se aplicó a una placa de vidrio con una capa conductora, luego se disparó y el resultado fue batería fotovoltaica. Un sustrato convertido en un panel fotovoltaico solo necesita un electrodo en la parte superior, y es posible obtener una corriente eléctrica colocándolo al sol.

Los científicos creen que en el futuro será posible crear pintura para automóviles y casas, y así convertir, por ejemplo, el techo de una casa o la carrocería del automóvil, pintada con esta pintura especial, en paneles solares. Este es el objetivo principal de los investigadores.

Aunque la eficiencia no es alta, solo el 1%, que es 15 veces menos que los paneles de silicio convencionales, la pintura solar se puede producir en grandes volúmenes y de forma muy económica.Por lo tanto, las necesidades de energía en el futuro pueden satisfacerse, dicen los químicos del grupo Kamat, que llaman a su descendencia. "Creíble por el sol", que se traduce como "solar-probable".

Siguiente inusual método de conversión de energía solar oferta en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. Andreas Mershin y sus colegas crearon baterías experimentales basadas en un complejo de moléculas biológicas capaces de "recoger" la luz.

El fotosistema PS-1, tomado de la cianobacteria Thermosynechococcus elongatus, fue propuesto por el biólogo molecular Shuguan Zhang y varias de sus personas de ideas afines 8 años antes del inicio de los experimentos actuales, Andreas Mershin.

La eficiencia de los sistemas resultó ser solo del 0.1%, pero este ya es un paso importante en el camino hacia la introducción masiva en la vida cotidiana, porque los costos de crear tales dispositivos son extremadamente bajos, y en general los propietarios biológicos pueden crear sus propias baterías usando un conjunto de productos químicos y una pila de hierba recién cortada . Mientras tanto, una serie de mejoras aumentarán la eficiencia al 1-2%, es decir a un nivel comercialmente viable.

Anteriormente, células similares con fotosistemas solo podían funcionar razonablemente bajo luz láser concentrada estrictamente en la célula, y luego solo en un rango estrecho de longitud de onda. Además, se necesitaban productos químicos caros y condiciones de laboratorio.

Otro problema era que los complejos moleculares extraídos de las plantas no podían existir por mucho tiempo. Ahora, el equipo del instituto ha desarrollado un conjunto de péptidos tensioactivos que envuelven el sistema y lo retienen durante mucho tiempo.

Al aumentar la eficiencia de la recolección de luz, el equipo del Instituto de Tecnología de Massachusetts resolvió el problema de proteger los fotosistemas de la radiación ultravioleta, que anteriormente dañaba el fotosistema.

El PS-1 ahora se sembró no en un sustrato liso, sino en una superficie con un área efectiva muy grande, estos eran tubos de dióxido de titanio de 3,8 μm de espesor con poros de 60 nm, y varillas densas de óxido de zinc de varios micrómetros de alto y varios cientos de nanómetros de diámetro. .

Estas variantes del fotoanodo permitieron aumentar el número de moléculas de clorofila bajo la luz y protegieron los complejos PS-1 de los rayos ultravioleta, ya que ambos materiales los absorben bien. Además, los tubos de titanio y las barras de zinc también desempeñan el papel de un marco y actúan como portadores de electrones, mientras que el PS-1 recoge la luz, la asimila y separa las cargas, como sucede en las células vivas.

Una celda expuesta al sol dio un voltaje de 0.5 voltios con una potencia específica de 81 microW por centímetro cuadrado y una densidad de fotocorriente de 362 μA por centímetro cuadrado, que es 10 veces mayor que cualquier otro sistema biovoltaico conocido previamente basado en fotosistemas naturales.

Ahora hablemos de células solares basadas en polímeros orgánicos. Si establecen la producción en masa, serán mucho más baratos que los competidores de silicio, a pesar de que ya han logrado una eficiencia del 10,9%. Batería solar de polímero en tándem, creado por un equipo de científicos de la Universidad de California, Los Ángeles (UCLA), tiene varias capas, cada una de las cuales trabaja con su propia parte del espectro.

El punto más importante es una combinación exitosa de diferentes sustancias que no interfieran entre sí cuando trabajan juntas. Por esta razón, los autores desarrollaron especialmente polímeros conjugados con un intervalo de banda bajo.

En 2011, los científicos lograron obtener una celda de polímero de una sola capa con una eficiencia del 6%, mientras que la celda en tándem mostró una eficiencia del 8,62%. Trabajando aún más, los investigadores se propusieron expandir el rango del espectro de trabajo en la región infrarroja, y tuvieron que agregar el polímero de la compañía japonesa Sumitomo Chemical, gracias a lo cual lograron lograr una eficiencia del 10.9%.

Este diseño más exitoso consiste en una celda frontal hecha de un material con un gran espacio de banda, y una celda trasera con un espacio de banda estrecho.Los autores del desarrollo argumentan que la creación de dicho convertidor, incluido el costo de los materiales, no es muy costosa, además, la tecnología en sí es compatible con los paneles solares de película delgada fabricados hoy en día.

Parece que en los próximos años, las células solares basadas en polímeros orgánicos serán comercialmente viables, porque los desarrolladores planean aumentar su eficiencia al 15%, es decir, al nivel de silicio.

Completando la revisión paneles solares súper delgados con un grosor de 1.9 micrasque es 10 veces más delgado que cualquier otra batería de película delgada creada anteriormente. Juntos, científicos japoneses y austriacos crearon un panel solar orgánico delgado inusualmente flexible. En la demostración, el producto se envolvió alrededor de un cabello humano con un diámetro de 70 μm.

Se utilizaron materiales tradicionales para fabricar la batería, pero el sustrato estaba hecho de tereftalato de polietileno de 1,4 micras de espesor. Con una eficiencia del 4.2%, la potencia específica de la nueva batería solar fue de 10 vatios por gramo, que generalmente es 1000 veces mayor que el indicador correspondiente para las baterías de silicio multicristalino.

En este sentido, parece prometedor el desarrollo de áreas tales como "textiles inteligentes" y "piel inteligente", donde, además de los paneles solares, los microcircuitos electrónicos creados con tecnología similar pueden ser igualmente delgados y flexibles.

Ver también:5 diseños inusuales de generadores eólicos