Células solares subacuáticas más eficientes con materiales óptimos

- Mar 23, 2020-

Fuente: scitechdaily


Organic Solar Cell


Puede haber muchos materiales orgánicos e inorgánicos pasados ​​por alto que podrían usarse para aprovechar la luz solar bajo el agua y alimentar de manera eficiente vehículos sumergibles autónomos, informan investigadores de la Universidad de Nueva York. Su investigación, publicada hoy (18 de marzo de 2020) en la revista Joule, desarrolla pautas para valores óptimos de banda prohibida en un rango de profundidades acuosas, demostrando que varios semiconductores de banda ancha, en lugar de los semiconductores de banda estrecha utilizados en el silicio tradicional Las células solares, están mejor equipadas para su uso bajo el agua.


"Hasta ahora, la tendencia general ha sido utilizar celdas de silicio tradicionales, que mostramos que están lejos de ser ideales una vez que se llega a una profundidad significativa ya que el silicio absorbe una gran cantidad de luz roja e infrarroja, que también es absorbida por el agua, especialmente a grandes profundidades ", dice Jason A. Röhr, investigador asociado postdoctoral en el laboratorio de Materiales y Dispositivos Transformativos del Prof. André D. Taylor en la Escuela de Ingeniería Tandon de la Universidad de Nueva York y autor del estudio. "Con nuestras pautas, se pueden desarrollar materiales más óptimos".


Underwater Solar Cell Graphical


Los vehículos submarinos, como los que se utilizan para explorar el océano abisal, actualmente están limitados por la energía en tierra o las baterías a bordo ineficientes, lo que impide viajar a distancias y períodos de tiempo más largos. Pero si bien la tecnología de células solares que ya ha despegado en tierra y en el espacio exterior podría dar a estos sumergibles más libertad para recorrer, el mundo acuático presenta desafíos únicos. El agua se dispersa y absorbe gran parte del espectro de luz visible, absorbiendo las longitudes de onda solares rojas incluso a poca profundidad antes de que las células solares basadas en silicio tengan la oportunidad de capturarlas.


La mayoría de los intentos anteriores para desarrollar células solares submarinas se han construido a partir de silicio o silicio amorfo, cada uno de los cuales tiene espacios de banda estrecha más adecuados para absorber la luz en tierra. Sin embargo, la luz azul y amarilla logra penetrar profundamente en la columna de agua incluso a medida que disminuyen otras longitudes de onda, lo que sugiere que los semiconductores con espacios de banda más anchos que no se encuentran en las células solares tradicionales pueden proporcionar un mejor ajuste para suministrar energía bajo el agua.


Para comprender mejor el potencial de las células solares submarinas, Röhr y sus colegas evaluaron cuerpos de agua que van desde las regiones más claras de los océanos Atlántico y Pacífico hasta un turbio lago finlandés, utilizando un modelo de equilibrio detallado para medir los límites de eficiencia de las células solares en cada ubicación. Se demostró que las células solares recogen energía del sol hasta profundidades de 50 metros en los cuerpos de agua más claros de la Tierra, con aguas frías que aumentan aún más la eficiencia de las células.


Los cálculos de los investigadores revelaron que los absorbedores de células solares funcionarían mejor con un intervalo de banda óptimo de aproximadamente 1,8 electronvoltios a una profundidad de dos metros y aproximadamente 2,4 electronvoltios a una profundidad de 50 metros. Estos valores se mantuvieron consistentes en todas las fuentes de agua estudiadas, lo que sugiere que las células solares podrían adaptarse a profundidades de operación específicas en lugar de ubicaciones de agua.


Röhr señala que las células solares producidas a bajo costo hechas de materiales orgánicos, que se sabe que funcionan bien en condiciones de poca luz, así como las aleaciones hechas con elementos de los grupos tres y cinco en la tabla periódica podrían ser ideales en aguas profundas. Y aunque la sustancia de los semiconductores diferiría de las células solares utilizadas en tierra, el diseño general permanecería relativamente similar.


"Si bien los materiales de captación solar tendrían que cambiar, el diseño general no necesariamente tendría que cambiar tanto", dice Röhr. “Los paneles solares de silicio tradicionales, como los que puedes encontrar en tu techo, están encapsulados para prohibir daños al medio ambiente. Los estudios han demostrado que estos paneles se pueden sumergir y operar en agua durante meses sin sufrir daños significativos en los paneles. Se podrían emplear métodos de encapsulación similares para los nuevos paneles solares hechos de materiales óptimos ". Ahora que han descubierto lo que hace funcionar a las células solares submarinas, los investigadores planean comenzar a desarrollar materiales óptimos.


"¡Aquí es donde la diversión comienza!" dice Röhr. “Ya hemos investigado las células solares orgánicas no encapsuladas que son altamente estables en el agua, pero aún debemos demostrar que estas células pueden hacerse más eficientes que las células tradicionales. Dada la capacidad de nuestros colegas en todo el mundo, estamos seguros de que veremos estas nuevas y emocionantes células solares en el mercado en un futuro próximo ”.