EEUU trabaja en un nuevo diseño para duplicar la eficiencia de células solares espaciales

Investigadores estadounidenses trabajan en nuevos diseños que podrían duplicar la eficiencia de las células solares espaciales. Los expertos están explorando alternativas livianas, como las células solares de película delgada hechas de seleniuro de molibdeno, que entran en la categoría de células solares de dicalcogenuro de metales de transición 2D (2D TMDC). Los TMDC son materiales bidimensionales con notables propiedades semiconductoras y elevados coeficientes de absorción óptica, lo que los hace idóneos para fabricar células solares semitransparentes y flexibles, ideales para la industria aeroespacial por su ligereza, elevada relación potencia-peso y flexibilidad.  

El reto y el objetivo es hacer crecer los materiales directamente uno encima del otro para lograr la producción a gran escala. Las celdas son una parte esencial de la exploración y asentamiento espacial pero las celdas solares existentes hechas de silicio y arseniuro de galio son demasiado pesadas para transportarlas en un cohete. 

El autor principal y miembro de la junta asesora de dispositivos de la Universidad de Pensilvania Deep Jariwala, afirma: "El peso de las células solares TMDC 2D es 100 veces menor que el de las células solares de arseniuro de galio o silicio, por lo que de repente estas células se convierten en una tecnología muy atractiva".

Gráfico de Deep Jariwala sobre las células solares TMDC 2D. Imagen: Universidad de Pensilvania 

El potencial de las células 2D TMDC

Las células solares 2D TMDC son por tanto una tecnología emergente y esperanzadora, ya que son delgadas, livianas y muy potentes. Están compuestas por capas de sólo 3 a 5 nanómetros de espesor, más de 1.000 veces más delgadas que un cabello humano, y son capaces de absorber una cantidad de luz solar comparable a las células solares comerciales. Sin embargo, no son tan eficientes como las células solares de silicio.

Deep Jariwala afirma que "la alta potencia específica es en realidad uno de los mayores objetivos de cualquier tecnología de recolección de luz o energía basada en el espacio", y añade que "no solo es importante para los satélites o las estaciones espaciales, sino también si desea energía solar real a escala de servicios públicos en el espacio".

El equipo de Jariwala está centrado en lograr todo el potencial de las células solares 2D TMDC mediante la combinación de modelado computacional y la contabilidad adecuada de los excitones, una cuasipartícula (o excitación elemental) de los sólidos formada por un electrón y un hueco ligados a través de la interacción coulombiana. Para ello, están fabricando una serie de dispositivos de prueba para optimizar el rendimiento de las células.

Las células solares absorben la luz solar y la convierten en electricidad. Los excitones son la presencia dominante en una celda solar 2D TMDC, y cuando los componentes cargados positiva y negativamente de un excitón se canalizan a electrodos separados, se produce electricidad. Mediante el modelado de células solares se ha conseguido un diseño con el doble de eficiencia respecto a lo ya demostrado experimentalmente.

Jariwala asegura que "espaciar las capas te permite hacer rebotar la luz muchas, muchas veces dentro de la estructura celular, incluso cuando la estructura celular es extremadamente delgada" y reconoció que "no esperábamos que las celdas que son tan delgadas vieran un valor del 12 %. Dado que las eficiencias actuales son inferiores al 5 %, mi esperanza es que en los próximos 4 a 5 años las personas puedan demostrar celdas que tengan un 10 % o más en eficiencia".