Baterías solares con absorción y almacenamiento simultáneos de luz

Las baterías solares, que combinan células solares y baterías en un mismo dispositivo, constituyen un novedoso enfoque descentralizado e integrado para el suministro de energía renovable. Este diseño se propone para minimizar las pérdidas causadas por la extracción de carga de la célula solar, el cableado y los desajustes de tensión o corriente.

Investigadores del Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido (Alemania) han estudiado las características ópticas de diseño de una batería solar basada en nitruro de carbono polimérico 2D, abundante en la Tierra y barato, como fotoánodo.

Para ello, el equipo tuvo que encontrar primero la forma de depositar una fina capa de nitruro de carbono 2D potásico, poli(heptazina imida), K-PHI, que normalmente se presenta en forma de polvo o en suspensiones acuosas de nanopartículas. A continuación, llevaron a cabo simulaciones ópticas y experimentos para examinar más de cerca las limitaciones de eficiencia y las consideraciones de diseño de su batería solar.

Al ser semitransparente, la batería solar puede absorber luz por ambos lados. En concreto, intercala una serie de capas de materiales semitransparentes con distintas funcionalidades entre dos capas de vidrio conductor de alta transparencia.

Calculando la absorbancia dentro de la batería solar que comprende diferentes grosores de capa activa de K-PHI y la correspondiente capa de material de almacenamiento de huecos de poliestireno sulfonato, los investigadores descubrieron que la iluminación a través de la parte trasera del dispositivo es superior independientemente del grosor de la capa activa, siempre que la capa de captación sea más fina que la capa activa.

También descubrieron que las capas activas más finas dan lugar a corrientes de fotocarga mayores (mejor funcionalidad de la célula solar), pero con una capacidad eléctrica menor (peor funcionalidad de la batería).

El equipo de investigación también informó de que su dispositivo muestra una gran versatilidad. Permite tanto corrientes grandes y puntuales como corrientes más pequeñas, que podrían mantenerse durante más tiempo, típicas de los requisitos de los teléfonos móviles.

“Demostramos cómo la producción de energía aumenta de forma más significativa para pequeñas corrientes de descarga eléctrica que están en el rango de la corriente de fotocarga generada mediante iluminación. Esto nos lleva a concluir que sólo pequeños incrementos de la intensidad luminosa pueden dar lugar a grandes aumentos del rendimiento”, escriben los investigadores en “Bridging the gap between solar cells and batteries: Optical design of bifunctional solar batteries based on 2D carbon nitrides” (Acortando distancias entre células solares y baterías: Diseño óptico de baterías solares bifuncionales basadas en nitruros de carbono 2D), publicado en Advanced Energy Materials.

Añaden que los resultados presentados en el artículo son transferibles a otros conceptos de baterías solares, como los fotocondensadores o las baterías solares de flujo redox, que utilizan electrodos bifuncionales o tienen heterouniones separadas de materiales de absorción de luz y almacenamiento de carga.