Hablando de ciencia del profesor Hanington: eficiencia récord del 19,3 % con celdas solares de plástico

A medida que nuestras fuentes de energía se alejan de los combustibles fósiles hacia otros más amigables con el medio ambiente, la búsqueda de celdas solares de bajo costo que puedan alimentar una casa o recargar un vehículo eléctrico (o colocar electricidad en algún tipo de red donde luego pueda recuperarla financieramente) ella) continúa con creciente fervor.

Esta misma semana se ha anunciado un gran salto en la eficiencia energética de las células solares de tipo orgánico. Como se publicó en Nature Communications, un equipo dirigido por el profesor Li Gang de la Universidad Politécnica de Hong Kong ha anunciado un método para fabricar una célula solar de polímero que tiene una eficiencia energética de casi el 20 %. Esto le pisa los talones a la mejor célula solar de silicio del mundo real hasta la fecha, la desarrollada por Kaneka Corporation, que tiene una eficiencia de conversión registrada del 26,7 %. Ese, compuesto por una matriz especial de cristal único, es muy costoso de fabricar en comparación con el tipo de polímero que se puede fabricar fácilmente escurriendo material sobre un sustrato adecuado. Eso fue en 2016 y aún mantiene el récord.

Para entender cómo el equipo de Hong Kong pudo lograr tal hazaña, debemos retroceder un poco y repasar rápidamente los conceptos involucrados en convertir la luz solar en energía. Aunque la primera demostración del efecto fotovoltaico, realizada por Edmond Becquerel en 1839, utilizó una celda electroquímica, probablemente el tipo con el que estamos más familiarizados es una celda de silicio, el estándar utilizado para lámparas de jardín y calculadoras recargables. Todos son dispositivos de silicio porque la tecnología de este elemento es muy conocida, con más de setenta años.

La celda solar de silicio está hecha de dos capas en el interior, una llamada tipo P y la otra tipo N. El silicio de tipo P se produce agregando átomos, como el boro o el galio, que tienen un electrón menos en su nivel de energía exterior que el silicio. Debido a que el boro tiene un electrón menos de lo que se requiere para formar los enlaces con los átomos de silicio circundantes, se crea una vacante de electrones o "agujero".

El silicio de tipo n se fabrica al incluir átomos que tienen un electrón más en su nivel exterior que el silicio, como el fósforo. El fósforo tiene cinco electrones en su nivel de energía exterior, no cuatro. Aunque el silicio tiene cuatro electrones, se une fácilmente con el boro o el fósforo en la estructura cristalina. Pero debido a que el fósforo tiene ese electrón adicional, el cristal tiene una carga ligeramente negativa porque ese electrón no está involucrado en el enlace y, en cambio, es libre de moverse dentro de la estructura de silicio. Se convierte en portador de carga. Asimismo en la región dopada con boro. El "agujero" formado allí, en realidad un enlace faltante, también puede actuar como portador de carga porque el enlace faltante puede moverse y actuar como una entidad positiva. Cuando una región N se coloca junto a una región P, algunos de estos electrones y huecos adicionales se encuentran de nuevo y se forma una región de agotamiento que carece de estas cargas móviles.

Pero aquí está la parte interesante de esta zona de agotamiento de tierra de nadie: debido a que los átomos de boro y fósforo permanecen en su lugar, el lado de tipo N de la zona de agotamiento ahora contiene iones cargados positivamente (de los átomos de fósforo) y el lado P ahora contiene iones cargados negativamente (de los átomos de boro), y esto crea un campo eléctrico interno que evita que los electrones y los huecos se mezclen más. Pero cuando la luz del sol incide en la unión PN, los electrones del silicio son expulsados ​​y forman "agujeros". Cuando esto sucede en el campo eléctrico de la región de empobrecimiento, el campo moverá electrones a la capa de tipo n y huecos a la capa de tipo p.

Si conecta las regiones exteriores de las capas de tipo n y tipo p con un cable metálico, los electrones viajarán, creando un flujo de electricidad. Una celda de cristal de silicio típica crea alrededor de 0,6 voltios a la luz del sol y puede suministrar 1 amperio de corriente para una celda del área de un teléfono celular típico. Para obtener un voltaje más alto, simplemente coloque muchas celdas en serie. El costo promedio por vatio de una celda solar monocristalina es de alrededor de $1.

Cuando mira hacia abajo a la parte superior de la celda solar gris, puede ver directamente a través de la unión PN donde tiene lugar toda la acción anterior.

La capa superior suele ser la región de tipo N. Poner una región N encima tiene la ventaja de que es más resistente a la degradación inducida por la luz debido a la presencia de fósforo en lugar de boro. Este factor conduce a que se muevan más cargas dentro de la celda y a una salida más eficiente y potente.

La próxima semana examinaremos las células solares orgánicas y cómo funcionan.

Gary Hanington es profesor emérito de ciencias físicas en Great Basin College y científico jefe de AHV. Puede comunicarse con él en [email protected].

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