Cuando se trata de proporcionar energía para la exploración espacial y los asentamientos en el espacio, las células solares tradicionales hechas de silicio o arseniuro de galio todavía son demasiado pesadas para ser transportadas de manera factible en un cohete. Para abordar este problema, investigadores de todo el mundo están explorando una amplia variedad de alternativas más livianas, como las células solares hechas de una delgada capa de seleniuro de molibdeno. Estos tipos de células solares se clasifican dentro de la categoría más amplia de células solares de dicalcogenuro de metales de transición en 2D (2D TMDC, por sus siglas en inglés).
En busca de un futuro brillante en la exploración espacial: las células solares de próxima generación
Ahora, un equipo de investigación de la Universidad de Pensilvania, Filadelfia, ha propuesto un diseño de dispositivo que podría llevar las eficiencias de los dispositivos 2D TMDC del 5%, como ya se ha demostrado, al 12%.
Si bien las células solares 2D TMDC tienden a tener una eficiencia mucho menor en comparación con las células solares de silicio, producen más electricidad por peso (es decir, una mayor potencia específica). Esto se debe a que una capa de tan solo 3 a 5 nanómetros de espesor, más de mil veces más delgada que un cabello humano, absorbe más luz solar que las células solares disponibles comercialmente. Su extrema delgadez les vale la etiqueta de «2D», y se consideran planas porque tienen solo unos pocos átomos de espesor.
La alta potencia específica es en realidad uno de los principales objetivos de cualquier tecnología de captación de luz o energía en el espacio. Esto no solo es importante para satélites o estaciones espaciales, sino también si se desea tener una energía solar a escala utilitaria real en el espacio. La cantidad de células solares que tendrías que enviar es tan grande que actualmente no hay vehículos espaciales que puedan transportar esos materiales de manera económicamente viable. Entonces, realmente la solución es duplicar las células de peso más ligero, que te dan mucha más potencia específica.
Deep Jariwala, Universidad de Pensilvania.
El potencial completo de las células solares aún no se ha aprovechado por completo, por lo que el equipo está trabajando para mejorar aún más la eficiencia de las células solares 2D TMDC centrándose en lo que se llama «excitones». Los excitones se producen cuando la célula solar absorbe la luz solar, y su presencia dominante es la razón por la cual una célula solar 2D TMDC tiene una alta absorción solar.
La electricidad se produce en las células solares cuando los componentes cargados positiva y negativamente de un excitón se separan y se canalizan hacia electrodos separados. Al modelar las células solares de esta manera, el equipo pudo diseñar un dispositivo con el doble de eficiencia en comparación con lo que ya se ha demostrado experimentalmente.
La parte única de este dispositivo es su estructura de superred, lo que significa que hay capas alternas de 2D TMDC separadas por un espaciador o una capa no semiconductora. Espaciar las capas te permite hacer rebotar la luz muchas, muchas veces dentro de la estructura de la célula, incluso cuando la estructura de la célula es extremadamente delgada.
No esperábamos obtener un valor del 12% en células tan delgadas. Dado que las eficiencias actuales son inferiores al 5%, espero que en los próximos cuatro o cinco años, las personas puedan demostrar células con una eficiencia del 10% o más.
Deep Jariwala
Un rendimiento tan prometedor abre aplicaciones potenciales en aeroespacial, detección remota y electrónica portátil. El equipo planea a continuación lograr una producción a gran escala en obleas para el diseño propuesto.
Creo que las personas se están dando cuenta lentamente de que los 2D TMDC son excelentes materiales fotovoltaicos, aunque no para aplicaciones terrestres, sino para aplicaciones móviles, más flexibles, como las aplicaciones espaciales. El peso de las células solares 2D TMDC es 100 veces menor que el de las células solares de silicio o arseniuro de galio, por lo que de repente estas células se convierten en una tecnología muy atractiva.
Deep Jariwala
Más información: www.sciencedirect.com (texto en inglés).
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