Paneles solares parecidos a espejos que obtienen más electricidad del calor
Unas nuevas células solares 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 de recoger el calor residual de los tubos de escape y las chimeneas.
Dejiu Fan, U-M Optoelectronic Components and Materials Group
La aplicación conocida informalmente como “el sol en una caja” almacena la generación extra de energía eólica y solar en un “banco de calor”.
“Este método de almacenamiento de energía a escala de red está recibiendo un amplio interés porque se estima que es diez veces más barato que el uso de baterías“, dijo Andrej Lenert, profesor adjunto de ingeniería química.
El “sol” en sí mismo en este método ya es de bajo costo: un tanque de silicio fundido, por ejemplo. Las partes relativamente caras son los paneles solares fotovoltaicos que convierten el calor almacenado en electricidad.
En comparación con los paneles solares ordinarios que convierten la luz, en lugar del calor, en electricidad, la energía fotovoltaica térmica debe ser capaz de 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 de muy baja energía de vuelta al banco de calor. De esa manera, la energía se reabsorbe y tiene otra oportunidad de ser empaquetada en un fotón de mayor energía que produce electricidad.
“Es un trabajo de reciclaje”, dijo Steve Forrest, profesor de ingeniería. “La energía emitida por el banco de calor tiene más de 100 posibilidades de ser absorbida por la célula solar antes de que se pierda”.
Los paneles termofotovoltaicos convencionales con respaldo de oro reflejan el 95% de la luz que no pueden absorber, lo cual no está mal, pero si se pierde el 5% de la luz con cada rebote, esa luz tiene en promedio 20 posibilidades de ser re-emitida en un fotón con suficiente energía para ser convertida en electricidad.
Aumentar el número de oportunidades significa que podríamos potencialmente usar materiales de células solares más baratos que sean más quisquillosos sobre qué energías de fotones aceptarán. Esto tiene beneficios adicionales: los fotones de mayor energía hacen electrones de mayor energía, lo que significa mayores voltajes y menos energía perdida mientras se saca la electricidad.
Para mejorar la reflectividad, el equipo añadió una capa de aire entre el semiconductor – el material que convierte los fotones en electricidad – y el respaldo de oro. El oro es mejor reflector si la luz lo golpea después de viajar por el aire, en lugar de venir directamente del semiconductor. Para minimizar el grado en que las ondas de luz se cancelan entre sí, el espesor 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 negó a hacer una célula 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 los fotones de menor energía.
“Al principio no estaba claro si esta estructura de ‘puente aéreo’, con un tramo tan largo y sin ningún tipo de soporte mecánico en el medio, podría ser construida con alta precisión y sobrevivir a múltiples y duros procesos de fabricación”, dijo Fan.
Pero lo hizo, y notablemente rápido, dijo Forrest. Lenert ya está mirando hacia el futuro para aumentar la eficiencia aún más, añadiendo “nueves” adicionales al porcentaje de fotones reflejados. Por ejemplo, aumentar la reflectividad al 99,9% daría al calor 1.000 posibilidades de convertirse en electricidad.
