Un nuevo diseño de celda solar compatible con la transparencia podría allanar el camino para ventanas que también generen energía solar, según una nueva investigación.
Para crear paneles solares transparentes, los investigadores han estado explorando el uso de materiales a base de carbono.
El equipo que diseñó las celdas solares calculó por extrapolación que seguirían funcionando con una eficiencia del 80 % después de 30 años.
Un nuevo diseño de celda solar compatible con la transparencia podría combinar altas eficiencias con vidas útiles estimadas de 30 años, según informan los investigadores.
Podría allanar el camino para ventanas que también generen energía solar.
“La energía solar es prácticamente la forma de energía más barata que la humanidad ha producido desde la revolución industrial”, afirma Stephen Forrest, profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de Michigan, que dirigió la investigación. “Con estos dispositivos utilizados en ventanas, su edificio se convierte en una central eléctrica.”
Si bien el silicio sigue siendo el rey de la eficiencia de los paneles solares, no es transparente. Para los paneles solares compatibles con ventanas, los investigadores han estado explorando materiales orgánicos, o a base de carbono. El desafío para el equipo de Forrest fue cómo evitar que materiales orgánicos muy eficientes para convertir la luz se degradaran rápidamente durante su uso.
La fortaleza y la debilidad de estos materiales residen en las moléculas que transfieren los electrones fotogenerados a los electrodos, los puntos de entrada al circuito que utiliza o almacena la energía solar. Estos materiales se conocen generalmente como “aceptores no fulerénicos” para distinguirlos de los “aceptores fulerénicos” más robustos pero menos eficientes, fabricados con una malla de carbono a nanoescala. Las celdas solares fabricadas con aceptores no fulerénicos que incorporan azufre pueden alcanzar eficiencias del 18 %, comparables a las del silicio, pero no duran tanto.
Los investigadores se propusieron cambiar eso. En sus experimentos demostraron que, sin proteger el material que convierte la luz solar, la eficiencia caía a menos del 40 % de su valor inicial en un plazo de 12 semanas bajo una iluminación equivalente a 1 sol.
“Los aceptores no fulerénicos generan una eficiencia muy alta, pero contienen enlaces débiles que se disocian fácilmente con fotones de alta energía, especialmente los fotones UV [ultravioleta] comunes en la luz solar”, afirma Yongxi Li, científico investigador asistente en ingeniería eléctrica e informática y primer autor del artículo.
Al estudiar la naturaleza de la degradación en esas celdas solares sin protección, el equipo comprobó que solo necesitaban reforzarse en algunos puntos. En primer lugar, debían bloquear esa luz UV. Para ello, añadieron una capa de óxido de zinc, un ingrediente común en los protectores solares, en el lado del vidrio orientado al sol.
Una capa más fina de óxido de zinc junto a la región absorbente de luz ayuda a conducir los electrones generados por el sol hacia el electrodo. Por desgracia, también descompone el frágil absorbente de luz, por lo que el equipo añadió una capa de un material a base de carbono llamado IC-SAM como amortiguador.
Además, el electrodo que atrae hacia el circuito los “huecos” con carga positiva (esencialmente, espacios dejados vacantes por los electrones) también puede reaccionar con el absorbente de luz. Para proteger ese flanco, añadieron otra capa amortiguadora, en este caso un fulereno con forma de balón de fútbol.
El equipo probó después sus nuevas defensas bajo distintas intensidades de luz solar simulada, desde la típica de 1 sol hasta la luz de 27 soles, y temperaturas de hasta 150 grados Fahrenheit. Al estudiar cómo se degradaba el rendimiento en estas condiciones, el equipo calculó por extrapolación que las celdas solares seguirían funcionando con una eficiencia del 80 % después de 30 años.
Forrest prevé un futuro en el que estos dispositivos “llegarán a una ventana cercana a ti”. Su equipo ya ha aumentado la transparencia del módulo hasta el 40 %. Creen que pueden acercarse al 60 % de transparencia.
También trabajan para aumentar la eficiencia desde el 10 % logrado en los módulos semitransparentes descritos, acercándola al 15 % considerado posible con una alta transparencia. Como los materiales pueden prepararse en forma líquida, se espera que los costes de fabricación sean relativamente bajos.
La investigación aparece en Nature Communications. Otros investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, la Universidad de Tianjin y la Universidad de Zhejiang, en China, contribuyeron al trabajo.
La financiación de la investigación procedió de la Oficina de Investigación Naval y de la Oficina de Eficiencia Energética y Energías Renovables del Departamento de Energía de EE. UU. Universal Display Corp. posee una licencia sobre el trabajo. La Universidad de Michigan tiene un interés financiero y Forrest tiene una participación accionarial en Universal Display Corp.
Fuente: Universidad de Michigan
