Las células solares de silicio dobladas en esferas insinúan la flexibilidad de la energía solar incluso en pequeños dispositivos.
Los paneles solares planos todavía se enfrentan a grandes limitaciones cuando se trata de aprovechar al máximo la luz solar disponible cada día. Un nuevo diseño de células solares esféricas tiene como objetivo aumentar el potencial de captación de energía solar desde casi todos los ángulos sin necesidad de costosas piezas móviles para seguir el aparente movimiento del sol a través del cielo.
El nuevo prototipo de célula solar esférica diseñado por investigadores saudíes es una pequeña esfera azul que una persona puede sostener fácilmente en una mano como una pelota de ping pong.
Los experimentos realizados en interiores con una lámpara simuladora solar ya han demostrado que puede alcanzar entre un 15 y un 100% más de potencia en comparación con una célula solar plana con la misma superficie total, dependiendo de los materiales de fondo que reflejan la luz solar en las células solares.
El grupo de investigación espera que su diseño inspirado en la naturaleza pueda funcionar igualmente bien en futuras pruebas de campo en muchos lugares diferentes del mundo.
«La ubicación y la forma de los ojos de la mosca doméstica aumentan su campo de visión angular para que puedan ver aproximadamente 270 grados a su alrededor en el campo horizontal», dice Nazek El-Atab, un investigador postdoctoral en ingeniería de microsistemas en la Universidad Rey Abdullah de Ciencia y Tecnología (KAUST).
«De manera similar, la arquitectura esférica aumenta el ‘campo de visión angular’ de la célula solar, lo que significa que puede recoger la luz solar desde más direcciones», continua comentando Nazek El-Atab.
Para crear el diseño de la célula solar esférica, El-Atab y sus colegas se basaron en su trabajo anterior, que demostró cómo crear diseños de células solares más delgados y flexibles basados en una técnica de ranuras corrugadas. El nuevo trabajo se detalla en un artículo que se ha presentado para su revisión a la revista MRS Communications.
Las pruebas con la lámpara del simulador solar mostraron que la célula solar esférica proporcionaba un 24% más de potencia que una célula solar plana tradicional al exponerse inmediatamente a la luz del sol. Esa ventaja de potencia saltó al 39% después de que ambos tipos de células solares comenzaran a calentarse y sufrieran alguna pérdida de eficiencia energética, lo que indica que la forma esférica puede tener algunas ventajas en la disipación del calor.
La célula solar esférica también proporcionó alrededor de un 60% más de potencia que su homóloga plana cuando ambas podían recoger sólo la luz solar dispersa bajo un techo simulado en lugar de recibir la luz solar directa. Experimentos adicionales con diferentes fondos reflectantes -incluyendo un vaso de aluminio, papel de aluminio, papel blanco y arena- mostraron que el fondo del vaso de aluminio hexagonal ayudó a la célula solar esférica a superar a la célula solar plana en un 100% en términos de generación de energía.
El equipo saudí creó la célula solar esférica utilizando las células solares de silicio monocristalino que actualmente representan casi el 90% de la producción mundial de energía solar. Esa elección surgió del objetivo de ayudar a maximizar el potencial de captación de luz de esas células solares, junto con el objetivo de facilitar potencialmente la ampliación de la producción si el diseño demuestra ser rentable.
«Lo que me sorprende es que los autores han demostrado la ultraflexibilidad que se puede lograr con las células solares de silicio rígido utilizando la técnica de corrugación en una serie de artículos», dice Zhe Liu, investigador postdoctoral en ingeniería solar en el MIT, que no participó en el estudio.
«Estoy más entusiasmado con la capacidad de hacer células esféricas, lo que significa que se puede hacer que las células solares de silicio de tipo industrial IBC (contacto interdigital posterior) cubran cualquier forma y ‘solaricen’ en todas partes«, continuó comunicando Zhe Liu
Los diseños anteriores de células solares han fabricado diminutas células esféricas de microescala -a veces hechas con nanocables o células de puntos cuánticos- sobre una superficie plana para ayudar a recoger mejor la luz solar directa y la dispersa, dice Rabab Bahabry, profesor asistente de física de la Universidad de Jeddah en Arabia Saudita. Pero la célula solar esférica más grande puede ofrecer una mayor eficiencia y cobertura en comparación con los conjuntos de microesferas cuando se trata de recoger la luz solar reflejada en las superficies de fondo.
La creación de la gran célula solar esférica requirió que los investigadores grabaran ranuras alternas en el 15% de una célula solar plana para hacer un patrón que se asemejara a una banda de formas elípticas conectadas en el medio. Un láser de CO2 creó el patrón apropiado en una máscara dura polimérica que cubría la célula solar y permitió que una herramienta de grabado de iones reactivos profundos creara ranuras en las áreas expuestas de la célula solar de silicio. La flexión y la curvatura de esas zonas de ranuras permitió a los investigadores doblar posteriormente la célula solar en una forma esférica.
La pérdida de material de las células solares en las zonas que se han grabado reduce el potencial general de generación de energía solar. Pero los investigadores ven que el costo a lo largo del tiempo favorece a las células solares esféricas sobre las células solares planas en ciertas partes del mundo porque el diseño esférico es menos propenso a la acumulación de polvo y puede ayudar a disipar el calor que de otra manera podría reducir la eficiencia de la célula solar. Además, las células solares esféricas no requieren de partes móviles adicionales y costosas para seguir continuamente al sol.
Aún así, las células solares esféricas no pueden reemplazar la tecnología tradicional de células solares en las plantas de energía solar a escala de utilidad, dice Liu en el MIT. En su opinión, este diseño particular de células solares esféricas podría encontrar uso en más aplicaciones de nicho de mercado. Señaló que uno de sus colegas está buscando un diseño de célula solar para cubrir una pelota de golf de modo que pueda alimentar un rastreador dentro de la pelota. Pero Liu ve muchas promesas en tales diseños de células solares ultra-flexibles que se instalan en edificios, coches, o incluso en dispositivos móviles.
«La aplicación del diseño esférico puede parecer muy limitada, pero la capacidad de fabricar células solares de silicio comerciales de cualquier forma permitiría una amplia adaptación de la energía fotovoltaica en dispositivos autónomos, como los sensores de IoT (Internet de las Cosas), y vehículos autónomos», dice Liu.
«Si podemos alimentar completamente estos dispositivos autónomos con paneles fotovoltaicos con forma, esto podría ser un cambio de juego», comento Liu.
Para futuras pruebas, Liu dice que le gustaría ver cómo funciona la célula solar esférica en una amplia gama de ambientes de iluminación tanto en el exterior como en el interior a diferentes horas del día. También quiere ver lo bien que las células solares esféricas pueden ser integradas en ciertas aplicaciones que podrían alimentar. Y tiene curiosidad por ver un resumen del «costo cuantificado» de todos los pasos de procesamiento requeridos para hacer tales células solares esféricas para comprender mejor el potencial de comercialización de la tecnología.
Los investigadores saudíes tuvieron que plegar y formar manualmente sus células solares esféricas en su última demostración, pero ya han comenzado a diseñar y desarrollar formas de automatizar el proceso utilizando «manos robóticas» para imitar el plegado manual, dice Muhammad Mustafa Hussain, un profesor de ingeniería eléctrica e informática de KAUST que fue uno de los coautores del estudio.
Eventualmente, Hussain y sus colegas prevén construir y probar grandes conjuntos de células solares esféricas. Y ya están trabajando en nuevas formas que se asemejan a las carpas o paraguas para ver si ofrecen alguna ventaja. También están integrando células solares con las superficies de los zánganos que tienen formas inusuales.
La pandemia de COVID-19 que obligó a cerrar los laboratorios de investigación ha retrasado los planes iniciales del grupo saudí para las pruebas en el exterior. Pero Hussain dice que el grupo todavía planea avanzar con las pruebas de campo antes de finales de 2020. Espera ayuda de la red de ex alumnos de KAUST para eventualmente probar las células solares esféricas en California, junto con países como Bangladesh, China, India, Corea del Sur, Alemania, España, Brasil, Colombia, México, Sudáfrica, Australia y Nueva Zelanda.
«Crearemos conjuntos de células esféricas para áreas de 100 a 1.000 pies cuadrados, y compararemos la funcionalidad sobre el costo-beneficio con la de las células tradicionales», dice Hussain.
«A continuación, lo desplegaremos en diferentes lugares geográficos a lo largo del año para comprender su rendimiento y fiabilidad».
Noticia tomada de: IEEE / Traducción libre del inglés por: WorldEnergyTrade.com
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