Cómo podemos obtener aún más energía del sol

Paneles solares en un techo de Walmart, Mountain View, California. Walmart / Flickr, CC BYPaneles solares en un techo de Walmart, Mountain View, California.
Walmart / Flickr, CC BY

La demanda global de energía aumenta cada hora a medida que los países en desarrollo avanzan hacia la industrialización. Los expertos estiman que para el año 2050, la demanda mundial de electricidad puede alcanzar 30 terawatts (TW). Para la perspectiva, un terawatt es aproximadamente igual a la potencia de 1.3 billones de caballos.

La energía del sol no tiene límites, el sol nos proporciona la potencia 120,000 TW en un instante dado y es gratis. Pero hoy la energía solar proporciona solo alrededor del uno por ciento de la electricidad del mundo. El desafío crítico es hacer que sea menos costoso convertir la fotoenergía en energía eléctrica utilizable.

Para hacer eso, necesitamos encontrar materiales que absorban la luz solar y la conviertan en electricidad de manera eficiente. Además, queremos que estos materiales sean abundantes, ambientalmente benignos y rentables para fabricar en dispositivos solares.

Investigadores de todo el mundo están trabajando para desarrollar tecnologías de células solares que sean eficientes y asequibles. El objetivo es llevar el costo de instalación de la electricidad solar por debajo de US $ 1 por vatio, en comparación con aproximadamente $ 3 por vatio hoy.

En la Universidad de Binghamton Centro de Energía Solar Autónoma (CASP), estamos investigando formas de fabricar células solares de película delgada utilizando materiales que son abundantes en la naturaleza y no tóxicos. Queremos desarrollar células solares que sean confiables, altamente eficientes para convertir la luz solar en electricidad y de bajo costo para la fabricación. Hemos identificado dos materiales que tienen un gran potencial como absorbentes solares: la pirita, más conocida como oro tonto debido a su brillo metálico; y cobre-zinc-estaño-sulfuro (CZTS).

Buscando el material ideal

Las células solares comerciales actuales están hechas de uno de tres materiales: silicio, telururo de cadmio (CdTe) y seleniuro de cobre e indio-galio (CIGS). Cada uno tiene fortalezas y debilidades.

Las células solares de silicio son altamente eficientes, convirtiendo hasta un 25 por ciento de la luz solar que cae en electricidad y muy duradero. Sin embargo, es muy costoso procesar silicio en obleas. Y estas obleas tienen que ser muy gruesas (alrededor de 0.3 milímetros, que es gruesa para las células solares) para absorber toda la luz solar que cae sobre ellas, lo que aumenta aún más los costos.

Las células solares de silicio, a menudo denominadas células solares de primera generación, se utilizan en los paneles que se han convertido en vistas familiares en los tejados. Nuestro centro está estudiando otro tipo de células solares de película delgada, que son la próxima generación de tecnología solar. Como su nombre lo sugiere, las células solares de película delgada se fabrican colocando una capa delgada de material absorbente solar sobre un sustrato, como vidrio o plástico, que normalmente puede ser flexible.

Estas células solares usan menos material, por lo que son menos costosas que las células solares cristalinas hechas de silicio. No es posible recubrir el silicio cristalino sobre un sustrato flexible, por lo que necesitamos un material diferente para usar como absorbente solar.

Aunque la tecnología solar de película delgada está mejorando rápidamente, algunos de los materiales en las células solares de película fina de hoy en día son escasos o peligrosos. Por ejemplo, el cadmio en CdTe es altamente tóxico para todos los seres vivos y se sabe que causa cáncer en humanos. CdTe puede separarse en cadmio y telurio a altas temperaturas (por ejemplo, en un laboratorio o fuego doméstico), lo que representa un grave riesgo de inhalación.

Estamos trabajando con pirita y CZTS porque no son tóxicas y son muy económicas. CZTS cuesta alrededor de 0.005 centavos por vatio y los costos de pirita un mero 0.000002 centavos por vatio. También se encuentran entre los materiales más abundantes en la corteza terrestre y absorben el espectro visible de la luz solar de manera eficiente. Estas películas pueden ser tan delgadas como 1 / 1000th de un milímetro.

Prueba de células solares CZTS bajo luz solar simulada. Tara Dhakal / Binghamton University, autor proporcionado Prueba de células solares CZTS bajo luz solar simulada.
Tara Dhakal / Binghamton University, autor proporcionado
Necesitamos cristalizar estos materiales antes de que podamos fabricarlos en células solares. Esto se hace calentándolos. CZTS cristaliza a temperaturas bajo 600 grado Celsius, en comparación con 1,200 grados Celsius o más alto para el silicio, lo que hace que sea menos costoso de procesar. Funciona de manera similar a las células solares de cobre y seleniuro de indio de alta eficacia (CIGS), que ahora están disponibles comercialmente, pero reemplaza el indio y el galio de estas células por zinc y estaño más económicos y más abundantes.

Hasta el momento, sin embargo, las células solares CZTS son relativamente ineficientes: convierten menos de 13 por ciento de la luz solar que cae sobre ellos a la electricidad, en comparación con el porcentaje de 20 para las células solares CIGS más caras.

Sabemos que las células solares CZTS tienen un potencial de ser 30 por ciento eficiente. Los principales desafíos son 1) sintetizando película delgada de alta calidad CZTS sin ningún rastro de impurezas, y 2) encontrando un material adecuado para la capa "amortiguadora" debajo de él, que ayuda a recoger las cargas eléctricas que la luz solar crea en la capa absorbente. Nuestro laboratorio ha producido una película delgada CZTS con siete por ciento de eficiencia; esperamos acercarnos a la eficiencia del porcentaje 15 pronto mediante la síntesis de capas CZTS de alta calidad y la búsqueda de capas de amortiguación adecuadas.

Estructura de una célula solar CZTS. Tara Dhakal / Binghamton University, autor proporcionadoEstructura de una célula solar CZTS.
Tara Dhakal / Binghamton Univ., Autor proporcionado
La pirita es otro absorbente potencial que se puede sintetizar a temperaturas muy bajas. Nuestro laboratorio ha sintetizado películas delgadas de pirita, y ahora estamos trabajando para colocar esas películas en células solares. Este proceso es desafiante porque la pirita se descompone fácilmente cuando está expuesta al calor y la humedad. Estamos investigando maneras de hacerlo más estable sin afectar su absorción solar y propiedades mecánicas. Si podemos resolver este problema, "el oro del tonto" podría convertirse en un dispositivo fotovoltaico inteligente.

En un estudio reciente, los investigadores de la Universidad de Stanford y la Universidad de California en Berkeley estimaron que la energía solar podría proporcionar hasta el 45% de la electricidad de EE. UU. por 2050. Para alcanzar ese objetivo, debemos seguir reduciendo el costo de la energía solar y encontrar formas de fabricar células solares de manera más sostenible. Creemos que los materiales abundantes y no tóxicos son clave para realizar el potencial de la energía solar.

Sobre el Autor

dhakal taraTara P. Dhakal, Profesora Asistente de Ingeniería Eléctrica e Informática, Universidad de Binghamton, Universidad Estatal de Nueva York. Su interés de investigación está en la energía renovable, en particular la energía solar. Su objetivo de investigación es lograr tecnología de células solares que sea ambientalmente benigna y económicamente asequible.

Este artículo se publicó originalmente el La conversación. Leer el articulo original.

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