Una nueva investigación podría literalmente exprimir más energía de las células solares

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Los físicos de la Universidad de Warwick han publicado un nuevo estudio en la revista Science (hoy 19 º de abril de 2018 – a través de la revista primer lanzamiento páginas) que podría, literalmente, obtener más potencia de las células solares mediante la deformación física de cada uno de los cristales de los semiconductores utilizados por celdas fotovoltaicas. El artículo titulado “Efecto flexo-fotovoltaico” fue escrito por el profesor Marin Alexe, Ming-Min Yang y Dong Jik Kim, todos ellos con base en el Departamento de Física de la Universidad de Warwick. 

Los investigadores de Warwick observaron las restricciones físicas en el diseño actual de la mayoría de las células solares comerciales, que ponen un límite absoluto a su eficiencia. La mayoría de las células solares comerciales están formadas por dos capas que crean en su límite una unión entre dos tipos de semiconductores, tipo p con portadores de carga positiva (agujeros que pueden llenarse con electrones) y tipo n con portadores de carga negativos (electrones). Cuando se absorbe la luz, la unión de los dos semiconductores sostiene un campo interno que divide los portadores fotoexpuestos en direcciones opuestas, generando una corriente y voltaje a través de la unión. Sin tales uniones, la energía no puede ser cosechada y los portadores fotoexitos simplemente se recombinan rápidamente eliminando cualquier carga eléctrica.

Esa unión entre los dos semiconductores es fundamental para obtener energía de una célula solar así, pero tiene un límite de eficiencia. Este límite de Shockley-Queisser significa que de toda la energía contenida en la luz solar que cae sobre una célula solar ideal en condiciones ideales, solo un 33.7% puede convertirse en electricidad.

Sin embargo, hay otra manera en que algunos materiales pueden recolectar cargas producidas por los fotones del sol o de otros lugares. El efecto fotovoltaico masivo ocurre en ciertos semiconductores y aisladores donde su falta de simetría perfecta alrededor de su punto central (su estructura no centrosimétrica) permite la generación de voltaje que puede ser en realidad más grande que el espacio de banda de ese material (el espacio de banda es el espacio entre el rango más alto de energías de electrones de la banda de valencia en el que los electrones están normalmente presentes a temperatura cero absoluta y la banda de conducción donde puede fluir la electricidad). Desafortunadamente, los materiales que se sabe que exhiben el efecto fotovoltaico anómalo tienen una eficiencia de generación de energía muy baja, y nunca se usan en sistemas prácticos de generación de energía.

El equipo de Warwick se preguntó si era posible tomar los semiconductores que son efectivos en las células solares comerciales y manipularlos o empujarlos de alguna manera para que ellos también puedan ser forzados a una estructura no centrosimétrica y posiblemente también se beneficien del efecto fotovoltaico masivo. . Para este trabajo decidieron intentar literalmente empujar tales semiconductores en forma usando puntas conductoras de dispositivos de microscopía de fuerza atómica a un “nano-indentador” que luego utilizaron para comprimir y deformar cristales individuales de Titanato de Estroncio (SrTiO 3 ), Dióxido de Titanio (TiO 2 ) y Silicio (Si). Descubrieron que los tres podrían deformarse de esta manera para darles también una estructura no centrosimétrica y que de hecho podían dar el efecto fotovoltaico masivo.

Marin AlexeEl profesor Marin Alexe de la Universidad de Warwick dijo:

“Ampliar la gama de materiales que pueden beneficiarse del efecto fotovoltaico masivo tiene varias ventajas: no es necesario formar ningún tipo de unión; se puede seleccionar cualquier semiconductor con mejor absorción de luz para las células solares, y finalmente, se puede superar el máximo límite termodinámico de la eficiencia de conversión de potencia, el denominado límite de Shockley-Queisser. Hay retos de ingeniería pero debe ser posible crear células solares, donde un campo de consejos simples basadas vidrio (cien millones por cm 2 ) se puede mantiene en tensión a lo suficiente de forma cada cristal semiconductor. Si esa ingeniería futura pudiera agregar incluso un
punto porcentual de eficiencia, sería de inmenso valor comercial para los fabricantes de células solares y los proveedores de energía “.

 

Fuente de la historia:

Materiales proporcionados por warwick.ac.uk

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