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CIENCIA ENERGÍA INVESTIGACIÓN

Las células solares esféricas absorben la luz solar dispersa

Las células solares de silicio plegadas en esferas sugieren la flexibilidad de la energía solar incluso en dispositivos pequeños

Ushuaia 16 de Junio de 2020

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 recolección de energía solar desde casi todos los ángulos sin necesidad de costosas partes móviles para seguir el movimiento aparente del sol a través del cielo.

El prototipo de célula solar esférica diseñado por investigadores sauditas es una pequeña esfera azul que una persona puede sostener fácilmente en una mano como una pelota de ping pong. Los experimentos en interiores con una lámpara de simulador solar ya han demostrado que puede lograr entre un 15 por ciento y un 100 por ciento más de producción de energía en comparación con una célula solar plana con la misma zona detierra, dependiendo de los materiales de fondo que reflejan la luz solar en la célula solar esférica. El grupo de investigación espera que su diseño inspirado en la naturaleza pueda ser igual de bien en futuras pruebas de campo en muchos lugares diferentes alrededor del mundo.

«La colocación y la forma de los ojos de la mosca de la casa aumentan su campo de visión angular para que puedan ver aproximadamente 270 grados a su alrededor en el campo horizontal», dice Nazek El-Atab,investigador postdoctoral en ingeniería de microsistemas en la Universidad De Ciencia y Tecnología Rey Abdullah (KAUST). «De manera similar, la arquitectura esférica aumenta el ‘campo de visión angular’ de la célula solar, lo que significa que puede cosechar la luz solar desde más direcciones».

Para crear el diseño de células solares esféricas, 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 ranura corrugada. El nuevo trabajo se detalla en un documento que se ha enviado 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 por ciento más de producción de energía sobre una célula solar plana tradicional tras la exposición inmediata a la luz solar. Esa ventaja de energía saltó al 39 por ciento después de que ambos tipos de células solares habían comenzado a calentarse y sufrieron cierta pérdida en la eficiencia de la energía, una indicación de que la forma esférica puede tener algunas ventajas en la disipación de calor.

La célula solar esférica también entregó aproximadamente un 60 por ciento más de salida de energía que su contraparte plana cuando ambos podían recoger sólo la luz solar dispersa bajo un techo simulado en lugar de recibir luz solar directa. Experimentos adicionales con diferentes fondos reflectantes, incluyendo una copa de aluminio, papel de aluminio, papel blanco y arena, mostraron que el fondo de la copa de aluminio hexagonal ayudó a la célula solar esférica a superar a la célula solar plana en un 100 por ciento en términos de salida de energía.

El equipo saudita creó la célula solar esférica utilizando las células solares de silicio monocristalino que actualmente representan casi el 90 por ciento de la producción mundial de energía solar. Esa elección surgió del objetivo de ayudar a maximizar el potencial de recolección de luz de estas células solares, junto con el objetivo de facilitar la ampliación de la producción si el diseño resulta rentable.

«Lo que me sorprende es que los autores han demostrado la ultra-flexibilidad que se puede lograr con células solares de silicio rígido utilizando la técnica de corrugado en una serie de artículos», dice Zhe Liu,investigador postdoctoral en ingeniería solar del MIT, que no participó en el estudio. «Estoy más entusiasmado con la capacidad de hacer células esféricas, lo que significa que puede tener células solares de silicio industriales de tipo IBC (contacto posterior interdigitado) cubren cualquier forma y ‘solarizar’ en todas partes».

Los diseños anteriores de células solares han fabricado diminutas células esféricas a microescala, a veces hechas con nanohilos o células de puntos cuánticos, en la parte superior de una superficie plana para ayudar a recoger mejor la luz solar directa y dispersa, dice Rabab Bahabry,un profesor asistente de física en 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 arreglos de microesfera 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 por ciento de una célula solar plana para hacer un patrón que se asemejaba a una banda de formas elípticas conectadas en el medio. A CO2 láser creó el patrón apropiado en una máscara dura polimérica que cubre la célula solar y permitió una herramienta de grabado de iones reactivo profundo para crear ranuras en las áreas expuestas de la célula solar de silicio. La flexión y flexión en esas áreas de ranuras permitió a los investigadores doblar posteriormente la célula solar en una forma esférica.

La pérdida de material de células solares en las áreas que se han grabado reduce la producción de energía solar potencial general. Pero los investigadores ven costos con el tiempo favoreciendo 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 partes móviles costosas adicionales para rastrear continuamente el sol.

Aun así, es posible que las células solares esféricas no reemplacen a la tecnología tradicional de células solares en las plantas de energía solar a escala de servicios públicos, dice Liu en el MIT. En su opinión, este diseño de células solares esféricas en particular podría encontrar uso en más aplicaciones de nicho de mercado. Señaló que uno de sus colegas está buscando actualmente un diseño de célula solar para cubrir una pelota de golf para que pueda alimentar a un rastreador dentro de la pelota. Pero Liu ve muchas promesas en estos diseños de células solares ultraflexibles que se instalan en edificios, automóviles o incluso dispositivos móviles.

«La aplicación del diseño esférico puede parecer muy limitada, pero la capacidad de hacer células solares comerciales de silicio en cualquier forma permitiría una amplia adaptación de la fotovoltaica en dispositivos autónomos, como sensores IoT (Internet de las cosas)vehículos autónomos»,dice Liu. «Si podemos alimentar plenamente estos dispositivos autónomos con paneles fotovoltaicos en forma, esto podría ser un cambio de juego».

Para futuras pruebas, Liu dice que le gustaría ver cómo funciona la célula solar esférica en una amplia gama de ambientes de iluminación tanto al aire libre como en interiores en diferentes momentos del día. También quiere ver qué tan bien las células solares esféricas se pueden integrar en ciertas aplicaciones que podrían alimentar. Y tiene curiosidad por ver un resumen de «costo cuantificado» de todos los pasos de procesamiento necesarios para hacer tales células solares esféricas con el fin de comprender mejor el potencial de comercialización de la tecnología.

Los investigadores sauditas tuvieron que plegarse manualmente y formar 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,profesor de ingeniería eléctrica e informática en KAUST que fue uno de los coautores del estudio.

Eventualmente, Hussain y sus colegas imaginan construir y probar grandes matrices de las células solares esféricas. Y ya están trabajando en nuevas formas que se asemejan a tiendas de campaña o sombrillas para ver si ofrecen alguna ventaja. También están integrando células solares con las superficies de drones que tienen formas inusuales.

La pandemia COVID-19 que forzó el cierre de los laboratorios de investigación ha retrasado los planes iniciales del grupo saudita para las pruebas al aire libre. Pero Hussain dice que el grupo todavía planea seguir adelante con las pruebas de campo antes de finales de 2020. Espera ayuda de la red de ex alumnos de KAUST para probar eventualmente 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.

«Estaremos creando matrices de células esféricas para áreas de 100 pies cuadrados a 1.000 pies cuadrados, y compararemos la funcionalidad sobre el costo beneficio con el de las células tradicionales», dice Hussain. «A continuación, lo implementaremos en diferentes ubicaciones geográficas a lo largo del año para comprender su rendimiento y fiabilidad».

Fuente: https://spectrum.ieee.org/

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