- Los investigadores proponen un nuevo método para reducir la pérdida de energía en las células solares.
- El método mejora la eficiencia controlando la dirección de emisión de la luz.
- El estudio muestra la posibilidad de superar el límite de Shockley–Queisser.
- Este principio puede aplicarse a diferentes tecnologías fotovoltaicas, aumentando la capacidad de generación de electricidad.
Los investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en Barcelona han demostrado experimentalmente un método que, al controlar la dirección de la luz emitida por la célula solar, reduce la pérdida de energía, con el potencial de aumentar la capacidad de generación de electricidad de la célula. El método se ha publicado en la revista Energy & Environmental Science y podría ofrecer una vía para superar el límite teórico de eficiencia tradicional de las células solares de una sola unión. Este trabajo se centra en un mecanismo de pérdida denominado pérdida de Boltzmann, que ocurre cuando un material capaz de absorber luz también puede emitir luz.
¿Por qué es crucial la dirección de la luz emitida? Las células solares reciben la luz solar desde una dirección relativamente estrecha. El Sol ocupa solo una pequeña porción del cielo, lo que significa que la luz solar que entra en la célula solo puede llegar dentro de un estrecho cono angular. Sin embargo, los fotones generados dentro de la célula solar suelen emitirse en un rango angular mucho más amplio. Según los investigadores del ICFO, esta discrepancia entre el cono de entrada estrecho y el cono de emisión amplio reduce la potencia útil que puede extraerse del dispositivo.
La necesidad de controlar la dirección de emisión de la luz
Los investigadores buscan reducir esta pérdida haciendo que la célula solar sea más selectiva en la dirección de emisión de la luz. El equipo, liderado por el profesor del ICFO y la UPC Jordi Martorell, incluye al Dr. Francisco Bernal Texca, Chiara Cortese, la Dra. Mariia Kramarenko y el Dr. Quan Liu. Utilizaron una célula solar orgánica invertida basada en la mezcla de materiales PM6:Y6 y la transformaron en una cavidad óptica.
Esta estructura suprime la emisión de fotones a grandes ángulos, reduciendo así efectivamente el cono de emisión de la célula.
Los investigadores emplearon un electrodo frontal basado en plata y una estructura en capas, y colocaron un segundo electrodo de plata en la parte posterior de la célula para lograr este efecto. El electrodo frontal metálico proporciona alta reflectividad en un amplio rango de ángulos de emisión. Combinado con el electrodo posterior y sus capas circundantes, se forma una cavidad óptica. Esta cavidad cumple dos funciones simultáneas: suprimir la emisión de luz a ángulos mayores y permitir eficientemente la entrada de la luz solar desde la fuente. De este modo, la distribución angular de la luz emitida se vuelve más similar a la de la luz solar incidente.
Desafío al límite de eficiencia tradicional
Los investigadores señalan que este método no requiere procesos de fabricación más complejos que muchas otras estrategias exploradas para llevar la eficiencia fotovoltaica más allá de los límites tradicionales. El estudio aborda el conocido límite de Shockley–Queisser, que describe el techo teórico de eficiencia de las células solares de una sola unión bajo supuestos del modelo. El ICFO establece ese límite en el 33.16%. Los investigadores afirman que, si el cono de emisión puede reducirse lo suficiente para coincidir mejor con el cono de absorción de la luz solar, teóricamente se podría alcanzar una eficiencia cercana al 43%.
Esto no significa que los investigadores hayan producido ya una célula solar con un 43% de eficiencia. El estudio muestra una estrategia óptica para reducir el mecanismo de pérdida asociado en dispositivos fotovoltaicos orgánicos. “Nuestro trabajo representa un avance importante en el campo de la conversión solar, porque abre una ruta completamente inexplorada para superar el límite de Shockley–Queisser”, afirma el autor principal, el Dr. Francisco Bernal Texca.
Los investigadores también subrayan que el principio no se limita a la tecnología fotovoltaica orgánica. Aunque el experimento se realizó con células solares orgánicas, Martorell indica que el concepto puede aplicarse, en principio, a diferentes tecnologías fotovoltaicas. Si este enfoque se traduce en dispositivos prácticos más eficientes, el control de la dirección de emisión de los fotones podría convertirse en otra herramienta para extraer más electricidad de la misma cantidad de luz solar. Según los investigadores, una mayor eficiencia fotovoltaica también reduciría la tierra y los materiales necesarios para una cantidad dada de generación solar, al tiempo que disminuiría el coste por vatio.
El impacto potencial del nuevo método en la tecnología solar
El nuevo método propuesto en este estudio aborda el problema de la pérdida de energía en las células solares, mejorando la eficiencia mediante el ajuste de la dirección de emisión de la luz, y muestra el potencial de superar la teoría tradicional. El límite de Shockley–Queisser ha sido un desafío constante para la tecnología fotovoltaica, y los avances de esta investigación podrían ofrecer nuevas ideas para el diseño de futuras células solares. Una mayor eficiencia fotovoltaica no solo aumentaría la producción de energía, sino que también podría reducir la tierra y los materiales necesarios, bajar los costes y tener una gran relevancia para la expansión de las energías renovables.