Un nuevo enfoque de la termofotovoltaica podría llevar al límite termodinámico

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Investigadores de la Universidad de Houston han desarrollado un nuevo método que podría mejorar potencialmente el déficit de eficiencia típico de la energía solar termofotovoltaica (STPV), gracias a una capa intermedia con propiedades radiativas no recíprocas.

La energía solar termofotovoltaica (STPV) es una tecnología de generación de energía que utiliza la radiación térmica para generar electricidad en células fotovoltaicas. Un sistema STPV consta de un emisor térmico que puede alcanzar altas temperaturas, cercanas o superiores a 1.000 C, y una célula fotovoltaica de diodos que puede absorber los fotones procedentes de la fuente de calor.

La tecnología lleva décadas despertando el interés de los científicos, porque es capaz de captar la luz solar en todo el espectro solar y tiene el potencial técnico de superar el límite Shockley-Queisser de la fotovoltaica tradicional. Sin embargo, las eficiencias registradas hasta ahora han sido demasiado bajas para hacerla comercialmente viable, ya que los dispositivos STPV siguen sufriendo pérdidas ópticas y térmicas.

El grupo estadounidense afirma que su nuevo enfoque de “STPV no recíproca” podría ayudar a acercar la tecnología al límite termodinámico, que es la máxima eficiencia absoluta teóricamente posible de conversión de la luz solar en electricidad. Explicaron que las células solares convencionales de unión única no pueden generar pares electrón-hueco de alta energía, que sólo se crean si la energía del fotón es superior a la banda prohibida de la célula. Por tanto, un número significativo de fotones con menos energía que la banda prohibida no puede participar en la generación de electricidad.

“La STPV puede ayudar a los sistemas de captación de energía solar a utilizar todo el espectro de la energía solar”, declaró el investigador Sina Jafari Ghalekohne a pv magazine. “Nuestro enfoque utiliza una capa intermedia para adaptar la luz solar y conseguir una mayor eficiencia”.

La cara superior de esta capa selectiva en longitud de onda está diseñada para absorber los fotones y convertir la energía solar en energía térmica y aumentar la temperatura de la capa intermedia.

“La cara inferior de la capa emite los fotones con el nivel de energía adecuado con respecto a la banda prohibida de la célula”, explicó Ghalekohne. “El límite de eficiencia de la STPV tradicional es el llamado límite del cuerpo negro, del 85,4%. Sin embargo, este límite sigue siendo muy inferior al límite de eficiencia definitivo para la captación de energía solar, que es el límite de Landsberg del 93,3%”.

Según los científicos, la capa intermedia no recíproca suprime la retroemisión de la capa hacia el sol y dirige más flujo de fotones a la célula. Afirmaron que el sistema se aproxima al límite de Landsberg en el caso ideal.

“Demostramos que el déficit de eficiencia está causado por la inevitable retroemisión de la capa intermedia hacia el sol resultante de la reciprocidad del sistema. Proponemos sistemas STPV no recíprocos que utilizan una capa intermedia con propiedades radiativas no recíprocas”, explica el investigador Bo Zhao. “Esta capa intermedia no recíproca puede suprimir sustancialmente su emisión hacia el sol y canalizar más flujo de fotones hacia la célula”.

Los científicos presentaron sus hallazgos en “Nonreciprocal Solar Thermophotovoltaics”, publicado recientemente en Physical Review Applied.

“Los sistemas STPV no recíprocos también pueden acoplarse con el almacenamiento de energía térmica y proporcionar generación de electricidad 24/7”, dijo Ghalekohne.

En agosto de 2021, un grupo de científicos de la Universidad de Michigan y el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE.UU. propusieron un nuevo enfoque para la STPV. Redujeron la separación entre el emisor y la célula fotovoltaica a una escala nanométrica. Llamaron a este enfoque “termofotovoltaica de campo cercano” y afirmaron que podría conducir a una alta densidad de potencia y altas eficiencias de conversión de potencia.

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