El brillante futuro de la energía solar.

Una descripción detallada y simple del funcionamiento de los paneles solares y pronósticos para el futuro.

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Nuestra reciente revisión de paneles solares puede dejarle la impresión de que recolectar energía solar es algo nuevo, pero las personas lo han estado explotando durante miles de años. Con su ayuda, calientan hogares, cocinan y calientan agua. Algunos de los primeros documentos que describen la recolección de energía solar se remontan a la antigua Grecia. El propio Sócrates dijo, "en las casas orientadas al sur, el sol de invierno penetra en la galería, y en el verano el camino del sol pasa sobre nuestras cabezas y directamente sobre el techo, lo que hace que se forme una sombra". Describe cómo la arquitectura griega utilizó la dependencia de los caminos solares en las estaciones.

En el siglo V aC Los griegos enfrentaron una crisis energética. El combustible predominante, el carbón vegetal, terminó cuando talaron todos los bosques para cocinar y calentar hogares. Se introdujeron cuotas para la madera y el carbón, y los olivares tuvieron que protegerse de los ciudadanos. Los griegos se acercaron a la crisis, planificando cuidadosamente el desarrollo urbano, para asegurarse de que cada hogar pueda aprovechar la luz del sol descrita por Sócrates. La combinación de tecnología y reguladores ilustrados funcionó, y se evitó la crisis.

Con el tiempo, la tecnología de recolección de energía térmica del sol solo creció. Los colonos de Nueva Inglaterra tomaron prestada la tecnología de construcción de casas de los antiguos griegos para mantenerse calientes en los fríos inviernos. Los calentadores de agua solares pasivos simples, no más complicados que los barriles pintados de negro, se vendieron en los Estados Unidos a fines del siglo XIX. Desde entonces, se han desarrollado colectores solares más sofisticados que bombean agua a través de paneles que absorben o enfocan la luz. El agua caliente se almacena en un tanque aislado. En climas helados, se usa un sistema de dos fluidos en el que el sol calienta una mezcla de agua con anticongelante que pasa a través de una espiral en un tanque de almacenamiento de agua, que desempeña otro papel, el papel de un intercambiador de calor.


Colectores solares en los tejados de Chipre

Hoy en día, muchos sistemas comerciales sofisticados están disponibles para calentar agua y aire en un hogar. Los colectores solares están instalados en todo el mundo, y la mayoría de ellos per cápita se encuentran en Austria, Chipre e Israel.


Colector solar de techo en Washington DC

La historia moderna de los paneles solares comienza en 1954, con el descubrimiento de una forma práctica de extraer electricidad de la luz: los laboratorios de Bell descubrieron que el material fotovoltaico puede estar hecho de silicio. Este descubrimiento se convirtió en la base de los paneles solares actuales (dispositivos que convierten la luz en electricidad) y lanzó una nueva era de energía solar. A través de una investigación intensiva, la era actual de la energía solar continúa, y el sol pretende convertirse en la principal fuente de energía en el futuro.

¿Qué es una célula solar?

El tipo más común de célula solar es un dispositivo semiconductor de silicio, un pariente lejano de un diodo de estado sólido. Los paneles solares están formados por un conjunto de células solares conectadas entre sí y creando una corriente de salida con el voltaje y la fuerza deseados. Los elementos están rodeados por una carcasa protectora y cubiertos con vidrio de ventana.

Las células solares generan electricidad debido al efecto fotovoltaico, que no se descubrió en absoluto en los laboratorios de Bell. Fue descubierto por primera vez en 1839 por el físico francés Alexander Edmond Becquerel, el hijo del físico Antoine Cesar Becquerel y el padre del físico Antoine Henri Becquerel, quien recibió el Premio Nobel y descubrió la radiactividad. Poco más de cien años después, se logró un gran avance en la fabricación de células solares en el laboratorio de Bella, que se convirtió en la base para crear el tipo más común de células solares.

En el lenguaje de la física del estado sólido, una célula solar se crea sobre la base de una unión pn en un cristal de silicio. La transición se crea agregando pequeñas cantidades de diferentes defectos a diferentes áreas del cristal; La interfaz entre estas áreas será la transición. En el lado n, los electrones transportan la corriente, y en el lado p - agujeros donde los electrones están ausentes. En regiones adyacentes a la interfaz, la difusión de carga crea potencial interno. Cuando un fotón con suficiente energía ingresa al cristal, puede eliminar un electrón de un átomo y crear un nuevo par de electrones.



Un electrón recién liberado es atraído por agujeros en el otro lado de la transición, pero debido a su potencial interno, no puede cruzarlo. Pero si los electrones reciben un camino a través de un circuito externo, lo recorrerán e iluminarán nuestros hogares a lo largo del camino. Al llegar al otro lado, se recombinan con agujeros. Este proceso continúa mientras el sol está brillando.

La energía requerida para liberar un electrón unido se llama banda prohibida. Esta es la clave para entender por qué las células fotovoltaicas tienen una limitación de eficiencia inherente. La brecha de banda es una propiedad constante del cristal y sus impurezas. Las impurezas se regulan de tal manera que el intervalo de banda de una célula solar está cerca de la energía del fotón del espectro visible. Esta elección está dictada por consideraciones prácticas, ya que la luz visible no es absorbida por la atmósfera (en otras palabras, como resultado de la evolución, las personas han adquirido la capacidad de ver la luz con las longitudes de onda más comunes).

La energía de los fotones se cuantifica. Un fotón con una energía menor que el intervalo de banda (por ejemplo, de la parte infrarroja del espectro) no puede crear una portadora de carga. Simplemente calienta el panel. Dos fotones infrarrojos tampoco funcionarán, incluso si su energía total es suficiente. Un fotón de energía excesivamente alta (por ejemplo, del rango ultravioleta) noqueará un electrón, pero el exceso de energía se desperdiciará.

Dado que la eficiencia se define como la cantidad de energía de la luz incidente en el panel dividida por la cantidad de electricidad recibida, y dado que se perderá una parte significativa de esta energía, la eficiencia no puede alcanzar el 100%.

La brecha de banda de una célula solar de silicio es de 1.1 eV. Como se puede ver en el diagrama del espectro electromagnético, el espectro visible está en la región un poco más alto, por lo que cualquier luz visible nos dará electricidad. Pero también esto significa que parte de la energía de cada fotón absorbido se pierde y se convierte en calor.



Como resultado, resulta que incluso con un panel solar ideal fabricado en condiciones impecables, la eficiencia máxima teórica será de aproximadamente el 33%. Para paneles disponibles comercialmente, la eficiencia es generalmente del 20%.

Perovskitas

La mayoría de los paneles solares instalados comercialmente están hechos de las células de silicio descritas anteriormente. Pero los laboratorios de todo el mundo están investigando otros materiales y tecnologías.

Una de las áreas más prometedoras de los últimos tiempos es el estudio de materiales llamados perovskitas. El mineral perovskita , CaTiO ₃ , fue nombrado en 1839 en honor del estadista ruso Conde L. A. Perovsky (1792-1856) , quien era un coleccionista de minerales. El mineral se puede encontrar en cualquiera de los continentes de la Tierra y en las nubes de al menos un exoplaneta. Las perovskitas también se denominan materiales sintéticos que tienen la misma estructura cristalina rómbica que la perovskita natural y tienen una estructura química similar en la estructura.



Dependiendo de los elementos, las perovskitas exhiben varias propiedades útiles, como la superconductividad, la magnetorresistencia gigante y las propiedades fotovoltaicas. Su uso en células solares causó mucho optimismo, ya que su efectividad en la investigación de laboratorio ha aumentado en los últimos 7 años de 3.8% a 20.1%. El rápido progreso inspira confianza en el futuro, especialmente porque las limitaciones de la eficiencia se están volviendo más claras.

En experimentos recientes en Los Alamos, se demostró que las células solares de ciertas perovskitas tienen una eficiencia cercana al silicio, a la vez que son más baratas y fáciles de fabricar. El secreto del atractivo de las perovskitas es la capacidad de crecer rápida y fácilmente cristales de tamaño milimétrico sin defectos en una película delgada. Este es un tamaño muy grande para una red cristalina ideal, que, a su vez, permite que el electrón viaje a través del cristal sin interferencia. Esta calidad compensa parcialmente el espacio de banda imperfecto de 1.4 eV, en comparación con un valor casi ideal para silicio de 1.1 eV.

La mayoría de los estudios destinados a aumentar la eficiencia de las perovskitas están asociados con la búsqueda de formas de eliminar defectos en los cristales. El objetivo final es hacer una capa completa para un elemento a partir de una red cristalina ideal. Los investigadores del MIT recientemente hicieron grandes progresos en este tema. Descubrieron cómo "curar" defectos en una película hecha de una perovskita específica irradiándola con luz. Este método es mucho mejor que los métodos anteriores, incluidos los baños químicos o la corriente eléctrica, debido a la falta de contacto con la película.

Aún no está claro si las perovskitas conducirán a una revolución en el costo o la efectividad de los paneles solares. Hacerlos es fácil, pero hasta ahora se están rompiendo demasiado rápido.

Muchos investigadores están tratando de resolver el problema de la descomposición. Un estudio conjunto de los chinos y los suizos condujo a un nuevo método para formar una célula a partir de la perovskita, eliminando la necesidad de mover agujeros. Como es la capa de conducción de agujeros la que se degrada, el material debería ser mucho más estable.


Células solares de perovskita a base de estaño

Un informe reciente del laboratorio de Berkeley describe cómo las perovskitas pueden algún día alcanzar un límite de eficiencia teórica del 31% y seguir siendo más baratas de fabricar que el silicio. Los investigadores midieron la eficiencia de conversión de varias superficies granulares mediante microscopía atómica, que mide la fotoconductividad. Descubrieron que diferentes caras tienen eficiencias muy diferentes. Ahora los investigadores creen que pueden encontrar una manera de producir una película en la que solo las caras más efectivas se conectarán a los electrodos. Esto puede llevar a que la célula alcance una eficiencia del 31%. Si funciona, será un avance revolucionario en tecnología.

Otras areas de investigacion

Es posible fabricar paneles multicapa, ya que el espacio entre bandas se puede ajustar cambiando los aditivos. Cada capa puede ajustarse a una longitud de onda específica. Dichas celdas pueden alcanzar teóricamente un 40% de eficiencia, pero hasta ahora siguen siendo caras. Como resultado, son más fáciles de encontrar en el satélite de la NASA que en el techo de la casa.

En un estudio realizado por científicos de Oxford y el Instituto de Silicio Fotovoltaico en Berlín, la multicapa se combinó con perovskitas. Trabajando en el problema de la degradabilidad del material, el equipo abrió la posibilidad de crear perovskita con un intervalo de banda ajustable. Se las arreglaron para hacer una versión de la celda con un ancho de banda de 1.74 eV, que es casi ideal para la fabricación combinada con una capa de silicio. Esto puede conducir a la creación de células económicas con una eficiencia del 30%.

Un grupo de la Universidad de Notre Dame desarrolló una pintura fotovoltaica hecha de nanopartículas de semiconductores. Este material aún no es tan efectivo como para reemplazar los paneles solares, pero es más fácil de producir. Entre las ventajas está la posibilidad de aplicar a diferentes superficies. En potencial, será más fácil de usar que los paneles rígidos que deben montarse en el techo.

Hace unos años, un equipo del MIT avanzó en la creación de combustible solar térmico. Tal sustancia puede almacenar energía solar dentro de sí misma durante mucho tiempo, y luego distribuirla bajo demanda cuando se usa un catalizador o calefacción. El combustible logra esto mediante una conversión no reactiva de sus moléculas. En respuesta a la radiación solar, las moléculas se convierten en fotoisómeros: la fórmula química es la misma, pero la forma está cambiando. La energía solar se almacena como energía adicional en los enlaces intermoleculares del isómero, que se puede representar como un estado de mayor energía de la molécula original. Después de comenzar la reacción, las moléculas vuelven a su estado original, transformando la energía almacenada en calor. El calor puede usarse directamente o convertirse en electricidad. Esta idea potencialmente elimina la necesidad de baterías. El combustible se puede transportar y utilizar la energía recibida en otros lugares.

Después de la publicación del trabajo del MIT, que usó fulvalen diruthenium , algunos laboratorios intentan resolver problemas con la producción y el costo de los materiales, y desarrollan un sistema en el que el combustible será lo suficientemente estable en un estado cargado y capaz de "recargarse" para que pueda usarse repetidamente. Hace solo dos años, los mismos científicos del MIT crearon combustible solar que podría probar al menos 2,000 ciclos de carga / descarga sin una degradación aparente del rendimiento.

La innovación fue combinar combustible (era azobenceno) con nanotubos de carbono. Como resultado, sus moléculas se alinearon de cierta manera. El combustible resultante tenía una eficiencia del 14% y una densidad de energía similar a la de una batería de plomo-ácido.


Nanopartículas de sulfuro de cobre-zinc-estaño

En trabajos más recientes, el combustible solar se hizo en forma de películas transparentes que se pueden picotear en el parabrisas de un automóvil. Por la noche, las películas derriten el hielo debido a la energía obtenida durante el día. La velocidad del progreso en esta área no deja dudas de que el combustible solar térmico pronto se transferirá de los laboratorios al campo de las tecnologías familiares.

Investigadores de la Universidad de Illinois en Chicago están desarrollando otra forma de crear combustible directamente de la luz solar (fotosíntesis artificial). Sus "hojas artificiales" usan la luz solar para convertir el dióxido de carbono atmosférico en "gas de síntesis", una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono. El gas de síntesis puede quemarse o convertirse en combustibles más convencionales. El proceso ayuda a eliminar el exceso de CO ₂ de la atmósfera.

El equipo de Stanford creó un prototipo de célula solar utilizando nanotubos de carbono y fullerenos en lugar de silicio. Su efectividad es mucho menor que los paneles comerciales, pero solo se usa carbono para crearlos. No hay materiales tóxicos en el prototipo. Es una alternativa más ecológica al silicio, pero necesita trabajar en la eficiencia para lograr beneficios económicos.

La investigación continúa en otros materiales y tecnologías de producción. Un área prometedora de investigación incluye monocapas, materiales con una sola capa de espesor molecular (como el grafeno). Aunque la eficiencia fotovoltaica absoluta de tales materiales es pequeña, su eficiencia por unidad de masa supera en mil veces los paneles de silicio habituales.

Otros investigadores están tratando de hacer células solares con un rango intermedio. La idea es crear un material con una nanoestructura o una aleación especial en el que los fotones puedan trabajar con una energía insuficiente para superar la brecha de banda habitual. En dicho material, un par de fotones de baja energía pueden eliminar un electrón, lo que no se puede lograr en dispositivos convencionales de estado sólido. Potencialmente, tales dispositivos serán más eficientes, ya que utilizan un mayor rango de longitudes de onda.

La variedad de áreas de investigación de elementos y materiales fotovoltaicos, y el rápido progreso constante desde la invención del elemento de silicio en 1954, inspiran confianza en que el entusiasmo por la adopción de energía solar no solo continuará, sino que aumentará.

Y estos estudios suceden justo a tiempo. En un meta-estudio reciente, se demostró que la energía solar superó al petróleo y al gas en términos de la relación entre la energía recibida y la energía consumida, o en eficiencia energética. Este es un punto de inflexión significativo.

No cabe duda de que la energía solar como resultado se convertirá en una forma de energía significativa, si no dominante, tanto en la industria como en el sector privado. Se espera que la reducción en la necesidad de quemar combustibles fósiles ocurra antes de que ocurra el cambio climático irreversible global.