El costo de la energía solar está comenzando a alcanzar la paridad de precios con electricidad a base de combustibles fósiles más barata en muchas partes del mundo, sin embargo, la fuente de energía limpia aún representa poco más del 1 por ciento de la combinación de electricidad del mundo.
Las células solares o fotovoltaicas PV, que convierten la luz solar en energía eléctrica, tienen un papel importante que desempeñar para impulsar la generación de energía solar en todo el mundo, pero los investigadores aún enfrentan limitaciones para ampliar esta tecnología. Por ejemplo, desarrollarLas células solares de eficiencia que pueden convertir una cantidad significativa de luz solar en energía eléctrica utilizable a costos muy bajos sigue siendo un desafío importante.
Un equipo de investigadores del MIT y el Instituto de Ciencia y Tecnología de Masdar puede haber encontrado una manera de evitar esta compensación aparentemente intratable entre eficiencia y costo. El equipo ha desarrollado una nueva célula solar que combina dos capas diferentes de material que absorbe la luz solar paracosechan un rango más amplio de la energía del Sol. Los investigadores llaman al dispositivo una "célula escalonada", porque las dos capas están dispuestas de forma escalonada, con la capa inferior sobresaliendo por debajo de la capa superior, para exponer ambas capas a la entradaluz solar. Estas células solares en capas o "multifuncionales" suelen ser caras de fabricar, pero los investigadores también utilizaron un proceso de fabricación novedoso y de bajo costo para su célula escalonada.
El concepto de células escalonadas del equipo puede alcanzar eficiencias teóricas superiores al 40 por ciento y eficiencias prácticas estimadas del 35 por ciento, lo que lleva a los investigadores principales del equipo: Ammar Nayfeh del Instituto Masdar, profesor asociado de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación, y Eugene Fitzgerald del MIT, elMerton C. Flemings-SMA Profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales - para planear una nueva empresa para comercializar la prometedora célula solar.
Fitzgerald, quien ha lanzado varias startups, incluidas AmberWave Systems Corporation, Paradigm Research LLC y 4Power LLC, cree que las celdas escalonadas podrían estar listas para el mercado fotovoltaico en el próximo año o dos.
El equipo presentó su celda de prueba de concepto inicial en junio en la 43ª Conferencia de Especialistas Fotovoltaicos de IEEE en Portland, Oregon. Los investigadores también informaron sus hallazgos en las conferencias anuales 40 y 42, y en el Revista de Física Aplicada y IEEE Journal of Photovoltaics .
más allá del silicio
Las células solares cristalinas de silicio tradicionales, que se han promocionado como el estándar de oro de la industria en términos de eficiencia durante más de una década, son relativamente baratas de fabricar, pero no son muy eficientes para convertir la luz solar en electricidad. En promedio, los paneles solares fabricadosde las células solares basadas en silicio convierten entre el 15 y el 20 por ciento de la energía del sol en electricidad utilizable.
La baja eficiencia de la luz solar a la energía eléctrica del silicón se debe en parte a una propiedad conocida como banda prohibida, que evita que el semiconductor convierta eficientemente fotones de alta energía, como los emitidos por las ondas de luz azul, verde y amarilla, en electricidadenergía. En cambio, solo los fotones de baja energía, como los emitidos por las ondas de luz roja más largas, se convierten eficientemente en electricidad.
Para aprovechar más de los fotones de mayor energía del sol, los científicos han explorado diferentes materiales semiconductores, como el arseniuro de galio y el fosfuro de galio. Si bien estos semiconductores han alcanzado eficiencias más altas que el silicio, las células solares de más alta eficiencia se han creado mediante la aplicación de capas diferentesmateriales semiconductores uno encima del otro y ajustándolos para que cada uno pueda absorber una porción diferente del espectro electromagnético.
Estas células solares en capas pueden alcanzar eficiencias teóricas superiores al 50 por ciento, pero sus costos de fabricación muy altos han relegado su uso a aplicaciones de nicho, como los satélites, donde los altos costos son menos importantes que el bajo peso y la alta eficiencia.
En contraste, la célula escalonada del Instituto Masdar-MIT se puede fabricar a una fracción del costo porque un componente clave se fabrica en un sustrato que se puede reutilizar. El dispositivo puede ayudar a impulsar aplicaciones comerciales de alta eficiencia y multifuncióncélulas solares a nivel industrial.
pasos para el éxito
La celda escalonada se fabrica colocando en capas una celda solar a base de fosfuro de arseniuro de galio, que consiste en un material semiconductor que absorbe y convierte eficientemente los fotones de mayor energía, en una celda solar de silicio de bajo costo.
La capa de silicio está expuesta, apareciendo como un escalón inferior. Este diseño de escalón intencional permite que la capa superior de fosfuro de arseniuro de galio GaAsP absorba los fotones de alta energía de la luz azul, verde y amarilla dejando la capa de silicio inferiorlibre para absorber fotones de baja energía de la luz roja no solo transmitidos a través de las capas superiores sino también de todo el espectro de luz visible.
"Nos dimos cuenta de que cuando la capa superior de fosfuro de arseniuro de galio cubría por completo la capa inferior de silicio, los fotones de menor energía fueron absorbidos por el germanio de silicio, el sustrato sobre el cual se cultiva el fosfuro de arseniuro de galio, y por lo tanto la célula solartuvo una eficiencia mucho menor ", explica Sabina Abdul Hadi, estudiante de doctorado en el Instituto Masdar, cuya disertación doctoral proporcionó la investigación fundamental para la célula estelar." Al grabar la capa superior y exponer parte de la capa de silicio, pudimosaumentar considerablemente la eficiencia "
Trabajando bajo la supervisión de Nayfeh, Abdul Hadi realizó simulaciones basadas en resultados experimentales para determinar los niveles óptimos y la configuración geométrica de la capa de GaAsP en silicio para obtener la mayor eficiencia. Sus hallazgos dieron como resultado la célula solar de prueba de concepto inicial del equipo.Abdul Hadi continuará apoyando el desarrollo tecnológico de la célula escalonada como investigador postdoctoral en el Instituto Masdar.
En el lado del MIT, el equipo desarrolló el GaAsP, lo que hicieron al cultivar la aleación de semiconductores en un sustrato hecho de silicio germanio SiGe.
"El fosfuro de arseniuro de galio no se puede cultivar directamente en silicio, porque sus redes cristalinas difieren considerablemente de las de silicio, por lo que los cristales de silicio se degradan. Es por eso que crecimos el fosfuro de arseniuro de galio en el germanio de silicio: proporciona una base más estable,"explica Nayfeh.
El problema con el silicio germanio debajo de la capa de GaAsP es que SiGe absorbe las ondas de luz de baja energía antes de que llegue a la capa de silicio inferior, y SiGe no convierte estas ondas de luz de baja energía en corriente.
"Para sortear el problema óptico que plantea el silicio germanio, desarrollamos la idea de la celda escalonada, que nos permite aprovechar las diferentes bandas de absorción de energía del arseniuro fosfato de galio y el silicio", dice Nayfeh.
El concepto de celda escalonada condujo a una celda mejorada en la que la plantilla de SiGe se retira y se reutiliza, creando una celda solar en la que los mosaicos de celdas GaAsP están directamente encima de una celda de silicio. La celda escalonada permite la reutilización de SiGe desdeFitzgerald explica: "Crecimos el fosfuro de arseniuro de galio en la parte superior del silicio germanio, lo modelamos en la configuración geométrica optimizada y lo unimos".a una celda de silicio. Luego grabamos a través de los canales estampados y levantamos las aleaciones de germanio de silicio sobre silicio. Lo que queda entonces es una celda solar en tándem de alta eficiencia y una plantilla de germanio de silicio, lista para ser reutilizada ".
Debido a que la celda en tándem está unida, en lugar de crearse como una celda solar monolítica donde todas las capas crecen en un solo sustrato, el SiGe se puede quitar y reutilizar repetidamente, lo que reduce significativamente los costos de fabricación.
"Agregar esa capa del fosfuro de arseniuro de galio realmente puede aumentar la eficiencia de la célula solar, pero debido a la capacidad única de grabar el germanio de silicio y reutilizarlo, el costo se mantiene bajo porque puede amortizar ese costo de germanio de silicio por encima deel curso de fabricación de muchas células ", agrega Fitzgerald.
llenando un vacío de mercado
Fitzgerald cree que la celda escalonada encaja bien en la brecha existente del mercado de energía solar fotovoltaica, entre las aplicaciones industriales de súper alta eficiencia y baja eficiencia. Y a medida que el volumen aumenta en esta brecha de mercado, los costos de fabricación deberían reducirse aún mástiempo extraordinario.
Este proyecto comenzó como uno de los nueve proyectos de investigación emblemáticos del Instituto Masdar-MIT, que son proyectos de alto potencial que involucran a docentes y estudiantes de ambas universidades. El Programa Cooperativo del Instituto MIT y Masdar ayudó a lanzar el Instituto Masdar en 2007. Colaboraciones de investigación entre eldos institutos abordan cuestiones globales de energía y sostenibilidad, y buscan desarrollar capacidades de investigación y desarrollo en Abu Dhabi.
"Este proyecto de investigación destaca el valioso papel que desempeña la investigación y la colaboración internacional en el desarrollo de una innovación basada en la tecnología comercialmente relevante, y es una demostración perfecta de cómo una idea de investigación puede transformarse en una realidad empresarial", dice Nayfeh.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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