Ampliación de las nanoesferas de oro desarrolladas por investigadores surcoreanos. Omicrono
Corea del Sur revoluciona los materiales que generan energía solar: 'superbolas' de oro que absorben un 90% de la luz
Unas innovadoras nanoesferas compuestas de partículas de oro consiguen atrapar casi todo el espectro de luz para convertirlo en electricidad.
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Las intensas lluvias que han caído en invierno en España han dado paso a cielos despejados, dejando que la luz solar llegue a la mayoría de regiones del país. Este cambio de tiempo también se traduce en más energía renovable, aunque la tecnología actual no sea capaz de aprovechar al máximo este recurso natural.
Los paneles solares actuales desperdician aproximadamente la mitad de la luz solar que reciben. Por eso, la comunidad científica y la industria tecnológica intentan dar con la solución que permita crear paneles mucho más eficientes, sin que los costes de fabricación impidan llevar esta revolución a todas partes.
Un equipo de investigadores de la Escuela de Posgrado de Ciencia y Tecnología Convergente KU-KIST, en Seúl, ha diseñado una nueva forma de captar casi todo el espectro solar utilizable.
Un operario instalando un panel solar Omicrono
Se trata de unas diminutas esferas de oro, desarrolladas para captar energía en dispositivos térmicos, que podrían finalmente eliminar el problema absorbiendo el 90% del espectro completo de la luz del Sol.
Aparte de su sorprendente eficiencia, este equipo científico asegura que el método de fabricación es simple y barato. El equipo, formado por Jaewon Lee, Seungwoo Lee y Kyung Hun Rho, publicó su investigación recientemente en la revista ACS Applied Materials & Interfaces.
Combatiendo el band gap
Para comprender el avance, hay que imaginarse las placas solares como un colador, capaz de recoger solo una parte de la luz que les llega. Este problema se conoce como band gap y se refiere a la energía que debe tener un fotón, la partícula que compone la luz, para poder interactuar con los componentes de la placa solar.
La radiación solar abarca las longitudes de onda ultravioleta (3-5%), visible (40-45%) e infrarroja (50-55%). Las células fotovoltaicas (FV) convierten principalmente la luz visible y parte del espectro infrarrojo cercano en electricidad.
Unas placas solares. Omicrono
Las placas solares están hechas de semiconductores que presentan esa brecha de banda o band gap. Si el fotón tiene menos energía (luz infrarroja) que la band gap, atravesará la célula sin hacer nada y esa parte de la luz se pierde.
En cambio, si tiene más energía, como es el caso de la luz ultravioleta, solo se aprovecha lo que marca la brecha de banda y el resto se disipa como calor dentro del material. Eso significa que, aunque el Sol emite un espectro muy amplio, cada material solo aprovecha bien una franja concreta de luz.
En el mejor de los casos, una placa de una sola unión (lo típico en los paneles de silicio convencionales) tiene un límite teórico de eficiencia llamado límite de Shockley–Queisser, de alrededor del 33% para una band gap óptima.
Se han planteado soluciones como el uso de espejos para concentrar más cantidad de luz solar. También se emplean celdas multiunión, que apilan varias capas de distintos materiales, cada una con una brecha diferente, de forma que cada capa aprovecha una porción distinta del espectro.
Pero estas arquitecturas múltiples, aunque superan el 40 o 45% de eficiencia bajo luz concentrada, son muy caras y complejas, por lo que se reservan para satélites y aplicaciones especiales, no para tejados domésticos.
'Superbolas' de oro
Ante este problema, el equipo coreano plantea una curiosa solución. En lugar de usar nanopartículas de oro individuales y dispersas, los investigadores lograron autoensamblar miles de estas partículas en cúmulos microscópicos con forma esférica suspendidos en líquido.
El resultado son unas nanoesferas de oro que denominaron "suprabolas coloidales plasmónicas": la luz rebota dentro de ellas hasta transformarse completamente en calor. Así, la luz entra, pero no sale.
Mientras que las películas de nanopartículas de oro convencionales alcanzan una absorción de aproximadamente el 45%, estas superesferas funcionan de forma diferente. Atrapan fotones en longitudes de onda ultravioleta, visible, e infrarroja cercana para convertir la mayor parte de la energía en calor.
Escala del tamaño de la nanoesfera de partículas de oro Omicrono
La agrupación de estas nanopartículas en una esfera modifica radicalmente la interacción del oro con la luz. Sigue funcionando como un sistema de multiunión por capas que trabajan con distintas frecuencias, pero con mayor eficiencia.
Cuando la luz solar incide en estas supraesferas, la capa exterior de nanopartículas de oro atrapa la luz visible y los rayos ultravioleta. Mientras tanto, el núcleo denso de la esfera actúa como una trampa para las ondas más largas del infrarrojo cercano.
Mediante simulaciones por ordenador y pruebas en condiciones reales, los investigadores demostraron que estas películas de supraesferas pueden absorber entre el 89% y el 90% de las longitudes de onda de todo el espectro solar.
Fácil de fabricar
Otra de las ventajas que defiende el informe de los científicos surcoreanos es la sencillez de su fabricación, demostración incluida en esta fase inicial de pruebas.
Para comprobar si esto se traduce en energía utilizable, el equipo probó su invento en un generador termoeléctrico (TEG) comercial, un dispositivo que convierte el calor directamente en electricidad.
Simplemente, vertieron una solución líquida llena de estas supraesferas sobre el generador y lo dejaron secar. Al evaporarse, el líquido dejó una película densa y oscura.
Proceso de fabricación de panel solar con suprabolas de oro Omicrono
Esta técnica, a falta de un mayor estudio y desarrollo, promete derivar en la fabricación de placas solares con un gradiente de temperatura más intenso, es decir, capaces de generar casi 2,4 veces la potencia de salida que ofrecen los recubrimientos de nanopartículas convencionales.
