La carrera por lograr una mayor eficiencia en la generación de energía solar es una constante en laboratorios de todo el mundo. Los esfuerzos no solo se centran en mejorar los paneles fotovoltaicos convencionales, sino en explorar nuevos materiales y métodos capaces de capturar y convertir la luz del sol en energía de maneras radicalmente distintas.
En este campo, la innovación con materiales como la perovskita ha abierto la puerta a células solares más eficientes y versátiles, como se ha visto en proyectos que buscan integrar la captación de energía directamente en la estructura de los edificios.
Estas investigaciones demuestran que el camino hacia una energía solar más potente y accesible pasa por la optimización de cada componente y cada paso del proceso, desde la captación de la luz hasta su conversión final en electricidad. Ahora, un equipo de científicos de la Universidad de Rochester (Nueva York, EEUU) ha desarrollado un dispositivo que perfecciona una de las etapas más críticas de una de las 'ramas' de la fotovoltaica: la absorción de la energía solar y su conversión en calor.
Este nuevo dispositivo es un generador solar termoeléctrico que aprovecha un "absorbedor solar perfecto" para aumentar drásticamente su rendimiento. A diferencia de un panel fotovoltaico, que convierte la luz directamente en electricidad, un sistema termoeléctrico primero convierte la luz solar en calor y luego utiliza esa diferencia de temperatura para generar una corriente eléctrica.
El equipo, liderado por el profesor de óptica Chunlei Guo, ha conseguido una eficiencia de conversión de energía 15 veces más eficiente que diseños anteriores. "Este material es una forma sencilla, robusta y rentable de generar energía a partir de la luz solar", explica Guo en un comunicado de prensa.
Metal negro
El elemento más relevante de esta investigación, según revela Guo en un estudio publicado en Light: Science and Applications, es una superficie de tungsteno meticulosamente diseñada. "Durante las últimas dos décadas, mi laboratorio ha estado trabajando en el desarrollo de la tecnología del 'metal negro' utilizando láseres de femtosegundo para cambiar permanentemente las propiedades de los metales", comenta Guo.
El tungsteno es un metal conocido por su altísima resistencia al calor, pero en su estado normal, pulido, no es especialmente indicado para absorber la luz. Para transformarlo, los investigadores emplearon destellos ultrarrápidos de láser capaces de crear una compleja red de nanoestructuras.
El láser utilizado para conseguir la superficie de 'metal negro'
Gracias a este proceso de grabado con láser, el equipo logró cambiar por completo las propiedades ópticas del tungsteno. La superficie, que pasa a ser de un color negro mate, se convierte en un absorbedor casi perfecto de la luz, con una tasa del 98,5%.
Las nanoestructuras actúan como una trampa para la luz solar, forzando a los fotones a rebotar en su interior hasta que su energía es absorbida casi por completo. Es un efecto similar al de un bosque muy denso a vista de dron: la luz que entra en las copas de los árboles apenas puede escapar, siendo absorbida por las hojas en su interior.
Sin embargo, absorber mucha energía no es suficiente. Para que un generador termoeléctrico sea eficiente, el material caliente no debe perder ese calor irradiándolo de nuevo al ambiente. Aquí reside la segunda ventaja crucial del dispositivo: su baja emitancia térmica.
A pesar de calentarse a temperaturas muy elevadas, la superficie de tungsteno nanoestructurado irradia muy poco calor. Esta combinación de alta absorción y baja emisión es lo que permite que el dispositivo alcance y mantenga la gran diferencia de temperatura necesaria para una generación de electricidad más eficiente.
Del laboratorio a la práctica
El dispositivo experimental consiste en una estructura similar a un sándwich. La capa superior es el absorbedor de tungsteno tratado con láser. Este se coloca en contacto directo con la cara caliente de un generador termoeléctrico (TEG) comercial.
Estos dispositivos de estado sólido funcionan gracias al conocido como efecto Seebeck: cuando un lado está caliente y el otro frío, los electrones comienzan a fluir desde el lado caliente hacia el frío, generando una corriente eléctrica. Para maximizar la diferencia de temperatura, todo el conjunto se aloja dentro de una cámara de vacío, lo que minimiza la pérdida de calor por convección, y la cara fría del TEG se conecta a un disipador de calor.
Primer plano de nanoestructuras grabadas con láser en la superficie del dispositivo
En las pruebas de laboratorio, los investigadores utilizaron un simulador solar para concentrar una potencia lumínica equivalente a 75 soles sobre una superficie de un centímetro cuadrado del absorbedor.
El metal negro alcanzó rápidamente una temperatura de 371 °C, mientras que el lado frío del generador se mantuvo a 44 °C. Esta notable diferencia de temperatura de 327 °C, permitió al dispositivo generar una potencia eléctrica de 1,17 vatios.
El dispositivo de energía termoeléctrica diseñado por Chunlei Guo y su equipo
Según los cálculos de Guo, el rendimiento del dispositivo final, manteniendo su tamaño compacto y con un aumento de solo el 25% en el peso, es 15 veces superior al de un sistema rudimentario compuesto por una placa de tungsteno sin tratar y sin aislamiento al vacío.
Y el verdadero potencial es aún mayor: "El rendimiento puede ser aún mejor si utilizamos un generador termoeléctrico más avanzado y un mejor aislamiento al vacío", añade el experto en óptica.
Potenciales aplicaciones
La robustez del tungsteno y la eficacia del método ideado por los investigadores de la Universidad de Rochester abren un amplio abanico de posibles aplicaciones. Estos generadores solares termoeléctricos podrían ser ideales para proporcionar energía en ubicaciones remotas donde la fiabilidad y el bajo mantenimiento son cruciales.
También podrían alimentar sensores para la monitorización ambiental, sistemas de comunicación en zonas sin red eléctrica o incluso utilizarse en aplicaciones espaciales, donde la luz solar es abundante y las condiciones son extremas.
Esta tecnología no se queda ahí, ya que también esconde el potencial de complementar a las placas solares convencionales. Un sistema híbrido podría utilizar la tecnología fotovoltaica para la luz visible y un generador termoeléctrico para capturar el resto de la energía del espectro solar en forma de calor, aumentando la eficiencia general del sistema.
Mientras tanto, el equipo de investigación continúa trabajando para optimizar el diseño, explorando formas de mejorar la transferencia de calor al TEG y de escalar el proceso de fabricación para producir paneles de mayor tamaño, con la vista puesta en su futuro lanzamiento comercial.