Investigadores de la Universidad de Minnesota y la Universidad de Milano-Bicocca están llevando el sueño de las ventanas que pueden recolectar eficientemente la energía solar un paso más cerca de la realidad gracias a las nanopartículas de silicio de alta tecnología.
Los investigadores desarrollaron tecnología para incrustar las nanopartículas de silicio en lo que llaman concentradores solares luminiscentes eficientes LSC. Estas LSC son el elemento clave de las ventanas que pueden recolectar energía solar de manera eficiente. Cuando la luz brilla a través de la superficie, las frecuencias útiles de luzestán atrapados dentro y concentrados en los bordes donde se pueden colocar pequeñas células solares para capturar la energía.
La investigación se publica en Fotónica de la naturaleza , una revista científica revisada por pares publicada por el Nature Publishing Group.
Las ventanas que pueden recolectar energía solar, llamadas ventanas fotovoltaicas, son la próxima frontera en tecnologías de energía renovable, ya que tienen el potencial de aumentar en gran medida la superficie de los edificios adecuados para la generación de energía sin afectar su estética, un aspecto crucial, especialmente enáreas metropolitanas: las ventanas fotovoltaicas basadas en LSC no requieren que se aplique ninguna estructura voluminosa sobre su superficie y dado que las células fotovoltaicas están ocultas en el marco de la ventana, se mezclan de manera invisible en el entorno construido.
La idea de concentradores solares y células solares integradas en el diseño de edificios ha existido durante décadas, pero este estudio incluyó una diferencia clave: las nanopartículas de silicio. Hasta hace poco, los mejores resultados se habían logrado utilizando nanoestructuras relativamente complejas basadas en sustancias potencialmente tóxicaselementos como el cadmio o el plomo, o en sustancias raras como el indio, que ya se utiliza de forma masiva para otras tecnologías. El silicio es abundante en el medio ambiente y no es tóxico. También funciona de manera más eficiente al absorber la luz a diferentes longitudes de onda de las que emite.Sin embargo, el silicio en su forma masiva convencional no emite luz ni luminiscencia.
"En nuestro laboratorio, 'engañamos' la naturaleza al eludir la dimensión de los cristales de silicio a unos pocos nanómetros, eso es aproximadamente una diezmilésimas del diámetro del cabello humano", dijo el profesor de ingeniería mecánica de la Universidad de Minnesota, Uwe Kortshagen, inventordel proceso para crear nanopartículas de silicio y uno de los autores principales del estudio. "A este tamaño, las propiedades del silicio cambian y se convierte en un emisor de luz eficiente, con la importante propiedad de no volver a absorber su propia luminiscencia. Esta es la clavecaracterística que hace que las nanopartículas de silicio sean ideales para aplicaciones LSC ".
El uso de nanopartículas de silicio abrió muchas posibilidades nuevas para el equipo de investigación.
"En los últimos años, la tecnología LSC ha experimentado una aceleración rápida, gracias también a los estudios pioneros realizados en Italia, pero encontrar materiales adecuados para cosechar y concentrar la luz solar todavía era un desafío abierto", dijo Sergio Brovelli, profesor de física enla Universidad de Milano-Bicocca, coautora del estudio y cofundadora de la empresa spin-off Glass to Power que está industrializando LSC para ventanas fotovoltaicas "Ahora, es posible reemplazar estos elementos con nanopartículas de silicio".
Los investigadores dicen que las características ópticas de las nanopartículas de silicio y su compatibilidad casi perfecta con el proceso industrial para producir el polímero LSC crean un camino claro para crear ventanas fotovoltaicas eficientes que pueden capturar más del 5 por ciento de la energía solar a bajos costos sin precedentes.
"Esto hará que las ventanas fotovoltaicas basadas en LSC sean una tecnología real para el mercado fotovoltaico integrado en el edificio sin las limitaciones potenciales de otras clases de nanopartículas basadas en materiales relativamente raros", dijo Francesco Meinardi, profesor de física en la Universidad de Milano-Bicoccay uno de los primeros autores del artículo.
Las nanopartículas de silicio se producen en un proceso de alta tecnología utilizando un reactor de plasma y se convierten en un polvo.
"Cada partícula está compuesta por menos de dos mil átomos de silicio", dijo Samantha Ehrenberg, estudiante de doctorado en mecánica de la Universidad de Minnesota y otra primera autora del estudio. "El polvo se convierte en una solución similar a la tintay luego incrustado en un polímero, ya sea formando una lámina de material plástico flexible o recubriendo una superficie con una película delgada "
La Universidad de Minnesota inventó el proceso para crear nanopartículas de silicio hace aproximadamente una docena de años y posee una serie de patentes sobre esta tecnología. En 2015, Kortshagen conoció a Brovelli, quien es un experto en fabricación de LSC y ya había demostrado varios enfoques exitosos paraLSC eficientes basadas en otros sistemas de nanopartículas. El potencial de las nanopartículas de silicio para esta tecnología fue evidente de inmediato y nació la asociación. La Universidad de Minnesota produjo las partículas y los investigadores en Italia fabricaron las LSC incrustándolas en polímeros a través de un método basado en la industria,Y funcionó.
"Esta fue realmente una asociación en la que reunimos a los mejores investigadores en sus campos para hacer que una vieja idea fuera realmente exitosa", dijo Kortshagen. "Teníamos la experiencia en la fabricación de nanopartículas de silicio y nuestros socios en Milano tenían experiencia en la fabricación de luminiscentesconcentradores. Cuando todo se unió, supimos que teníamos algo especial "
La financiación para el estudio de investigación incluye una subvención del Centro de Ciencias Básicas para la Fotofísica Solar Avanzada del Departamento de Energía DOE de los EE. UU., Un Centro de Investigación de la Frontera Energética y una subvención del Séptimo Programa Marco de la Comunidad Europea. Ehrenberg también recibió fondos deuna beca de la National Science Foundation NSF y la beca Benjamin YH y Helen Liu.
Para leer el artículo de investigación completo titulado "Concentradores solares luminiscentes altamente eficientes basados en puntos cuánticos de silicio de banda prohibida indirectos abundantes en la Tierra", visite el Fotónica de la naturaleza sitio web
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ciencias e Ingeniería de la Universidad de Minnesota . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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