Las nuevas células "solares" que aprovechan el calor y que reflejan el 99% de la energía que no pueden convertir en electricidad podrían ayudar a reducir el precio de almacenar energía renovable en forma de calor, así como a recolectar el calor residual de los tubos de escape y las chimeneas.
La aplicación de almacenamiento de energía, conocida informalmente como "sol en una caja", almacena la generación extra de energía eólica y solar en un banco de calor.
"Este enfoque para el almacenamiento de energía a escala de red está recibiendo un interés generalizado porque se estima que es diez veces más barato que usar baterías", dijo Andrej Lenert, profesor asistente de ingeniería química.
El "sol" en este enfoque ya es de bajo costo: un tanque de silicio fundido, por ejemplo. Las partes relativamente caras son los paneles fotovoltaicos que convierten el calor almacenado en electricidad.
En comparación con los paneles solares ordinarios que convierten la luz, en lugar de calor, en electricidad, la energía fotovoltaica térmica debe poder aceptar fotones de menor energía paquetes de luz o calor porque la fuente de calor está a una temperatura más baja que la del sol.Para maximizar la eficiencia, los ingenieros han estado buscando reflejar los fotones que tienen una energía demasiado baja de vuelta al banco de calor. De esa manera, la energía se reabsorbe y tiene otra oportunidad de empaquetarse en un fotón de mayor energía que produce electricidad.
"Es un trabajo de reciclaje", dijo Steve Forrest, profesor de ingeniería de la Universidad Distinguida Peter A. Franken y profesor de ingeniería Paul G. Goebel. "La energía emitida por el banco de calor tiene más de 100 posibilidades de ser absorbida por elcelda solar antes de que se pierda. "
El termofotovoltaico convencional con respaldo dorado refleja el 95% de la luz que no puede absorber; no está mal, pero si el 5% de la luz se pierde con cada rebote, esa luz tiene un promedio de 20 posibilidades de volver a emitirse enun fotón con suficiente energía para convertirse en electricidad.
Aumentar la cantidad de oportunidades significa que uno podría usar materiales de células solares más baratos que sean más selectos sobre las energías de fotones que aceptarán. Esto tiene beneficios adicionales: los fotones de mayor energía producen electrones de mayor energía, lo que significa voltajes más altos y menos energía perdida mientrasapagando la electricidad.
Para mejorar la reflectividad, el equipo agregó una capa de aire entre el semiconductor, el material que convierte los fotones en electricidad, y el respaldo de oro. El oro es un mejor reflector si la luz lo golpea después de viajar enaire, en lugar de venir directamente del semiconductor. Para minimizar el grado en que las ondas de luz se cancelan entre sí, el grosor de la capa de aire debe ser similar a las longitudes de onda de los fotones
Inicialmente, el estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica e informática Dejiu Fan se opuso al trabajo de hacer una celda de este tipo. Fan explicó que el grosor de la capa de aire tenía que ser muy preciso, dentro de unos pocos nanómetros, para reflejar la energía más bajafotones. Además, la frágil película semiconductora tiene solo 1,5 micrómetros 0,0015 milímetros de grosor, pero necesitaba abarcar más de 70 micrómetros de aire entre los haces de oro de 8 micrómetros de ancho.
"Al principio no estaba claro si esta estructura de 'puente aéreo', con un tramo tan largo y sin ningún soporte mecánico en el medio, podría construirse con alta precisión y sobrevivir a múltiples y duros procesos de fabricación", dijo Fan.
Pero lo hizo, y sorprendentemente rápido, dijo Forrest. Fan, trabajando con Tobias Burger, un estudiante de doctorado en ingeniería química, y otros colaboradores, colocó las vigas de oro en el semiconductor. Luego, recubrieron una placa posterior de silicio conoro para hacer el espejo y soldar en frío las vigas doradas al respaldo dorado. De esta manera, el grosor de las vigas doradas podría controlar con precisión la altura del puente aéreo, lo que permite un reflejo casi perfecto.
Lenert ya está mirando hacia adelante para aumentar aún más la eficiencia, agregando "nueves" adicionales al porcentaje de fotones reflejados. Por ejemplo, elevar la reflectividad al 99.9% le daría al calor 1,000 oportunidades de convertirse en electricidad.
El estudio publicado en Naturaleza se titula "Utilización casi perfecta de fotones en una celda termofotovoltaica de puente de aire". UM ha solicitado protección por patente y está buscando socios comerciales para llevar la tecnología al mercado.
La investigación fue financiada por la Oficina de Investigación del Ejército y la Fundación Nacional de Ciencias. Forrest también es profesor de ingeniería eléctrica e informática, ciencia e ingeniería de materiales y física. El dispositivo se construyó en las instalaciones de nanofabricación de Lurie.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Michigan . Original escrito por Kate McAlpine. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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