Célula solar ferroeléctrica más eficiente que el máximo teórico de Shockley-Queisser

Dibujo20160817 Schematic illustrations of the photoexcitation processes nphoton-2016-143-f1

La eficiencia máxima de una célula solar basada en un fotodiodo (unión pn) se llama límite de Shockley–Queisser (1961). Se publica en Nature Photonics una célula solar basada en un material cerámico ferroeléctrico, el titanato de bario, BaTiO3 (BTO), que supera el límite máximo de eficiencia de los fotodiodos. Su único problema es que absorbe luz en el ultravioleta (una décima parte de todo el espectro solar), cuando las células solares actuales absorben en el visible.

En un fotodiodo la luz incide en la interfaz entre dos regiones p y n, provocando que un electrón salte de la banda de valencia a la banda de conducción, generando un par electrón-hueco. La eficiencia depende del ancho del bandgap (separación entre las bandas de conducción y valencia). La nueva célula solar usa el efecto fotovoltaico interior (bulk photovoltaic effect) propuesto en 1970 por el físico ruso Vladimir M. Fridkin. Se capturan electrones “calientes” excitados por la luz solar en el interior de un material aislante. Estos electrones termalizan (se enfrían), luego el efecto es muy débil. Pero puede ser amplificado usando un efecto cascada (tipo dominó). Gracias a ello se puede superar la eficiencia máxima de las células solares basadas en uniones pn.

El artículo es Jonathan E. Spanier, Vladimir M. Fridkin, …, Craig L. Johnson, “Power conversion efficiency exceeding the Shockley–Queisser limit in a ferroelectric insulator,” Nature Photonics (08 Aug 2016), doi: 10.1038/NPHOTON.2016.143. Más información en Britt Faulstick, “Making a solar energy conversion breakthrough with help from a ferroelectrics pioneer,” Drexel NOW, 08 Aug 2016.

Dibujo20160817 two Schematic illustrations of the photoexcitation processes nphoton-2016-143-f1

El impacto de un fotón ultravioleta ioniza un átomo que pierde un electrón de alta energía. Este electrón colisiona con otros electrones ligados a otros átomos del material. Cual fichas de dominó, los electrones producen una corriente eléctrica. El proceso conversión de luz en electricidad es un 50% más eficiente que el límite teórico para una célula solar convencional (construida con una material con el mismo bandgap, en este caso 3,2 eV).

Dibujo20160817 Quantum efficiency photocurrent spectrum and power conversion efficiency in bulk single-domain ferroelectric BTO at the nanoscale nphoton-2016-143-f3

La eficiencia cuántica de conversión ηEQE para luz incidente monocromática con λ = 405 nm es de 1,11 para una intensidad de 100 mW/cm² y llega hasta a 1,85 para 470 mW/cm², donde el límite teórico de Shockley y Queisser corresponde a 1,0.

Dibujo20160817 Photovoltaic device consisting of an array of nanoscale tips nphoton-2016-143-f4La nueva célula fotovoltaica consiste en una matriz de 24 nanoagujeros en un capa de SiO2 sobre un sustrato de BaTiO3 (001). La clave de su funcionamiento es trabajar fuera del equilibrio, transportando portadores de carga en los electrodos ferroeléctricos. Pero debemos ser cautos, esta nueva ruta para la generación de energía por conversión fotovoltaica todavía está en pañales y se requieren importantes avances para llegar un uso práctico.



4 Comentarios

  1. Lo primero de todo, buen articulo! Lo segundo, “El proceso conversión de luz en electricidad es un 50% más eficiente que el límite teórico para una célula solar convencional”, ¿de cuánto exactamente estaríamos hablando? Ya que no conozco cual es la eficiencia exacta de una placa solar convencional (¿rondaban el 24%? ¿tal vez 25%?), me gustaría saber la eficiencia de este nuevo “modelo”. Gracias!!

    1. Bruno, el límite de Schockley-Queisser para una célula con una sola unión es de 34%, pero crece cuando hay más uniones (con un número infinito de uniones sería del 87%). Las células solares comerciales están entre el 16% y el 22% (las comerciales que rondan el 24% se usan sólo en instalaciones experimentales). En laboratorio hay prototipos multiunión que alcanzan el 46% en visible. La nueva célula solar ronda el 50% en ultravioleta, lo que es poca energía comparada con la obtenida en el visible con las células multiunión.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 17 agosto, 2016
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