Celdas Anti-Solares: Desmantelando la Principal Barrera de La Industria Fotovoltaica

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Una nueva tecnología: una celda diseñada especialmente por Munday podría tener la capacidad de generar hasta 50 vatios de potencia por metro cuadrado bajo condiciones nocturnas.

Celdas diurnas

Las celdas fotovoltaicas han formado los cimientos de la industria renovable basándose en el principio fotoeléctrico desarrollado por Albert Einstein. Básicamente, las celdas de silicio son capaces de liberar electrones al recibir el impacto de partículas contenidas dentro de la luz solar mejor conocidas como fotones. Al liberar electrones es posible crear una corriente eléctrica que recorre la celda y que al combinar en paralelo y serie múltiples conjuntos de celdas es posible construir un panel solar capaz de generar electricidad en corriente directa.

Este es el principio general en el que se basan todos los módulos fotovoltaicos, básicamente la luz del sol actúa como catalizador. Sin embargo, cuando cae la noche, al haber ausencia de luz solar, los módulos no son capaces de producir electricidad y simplemente se enfrían para el siguiente día de operación.

Ahora bien, este paradigma podría cambiar con el trabajo de científicos como el profesor Jeremy Munday de la Universidad de California Davis en el departamento de Ingeniería Eléctrica y Computación. De acuerdo con Munday y un estudiante graduado Tristan Deppe, una celda diseñada especialmente en este departamento, podría tener la capacidad de generar hasta 50 vatios de potencia por metro cuadrado bajo condiciones nocturnas, lo cual representa aproximadamente un cuarto de lo que podría generarse durante el período diurno.

¿Generando Energía Solar en la Noche?

Munday está desarrollando prototipos de estas celdas nocturnas que pueden generar pequeñas cantidades de potencia durante la noche. Pero, ¿Cómo es eso posible?

Para entenderlo, debemos primero saber un concepto acerca de la radiación. Un objeto que es caliente comparado a su entorno irradiará calor en forma de luz infrarroja, es un concepto que se aplica las estrellas por ejemplo, pero también a otros objetos. En este sentido, una celda fotovoltaica tradicional es considerablemente más fría que el sol, por lo cual absorbe su radiación tanto en componente infrarroja como en el espectro de la luz visible que es luego convertida en electricidad. Sin embargo, al caer la noche, la celda se torna más caliente que su entorno, por lo cual puede irradiar calor o luz infrarroja a su alrededor.

Si bien en el proceso cotidiano los fotones absorbidos actúan como catalizador para establecer un voltaje y corriente en la celda, en un proceso inverso en el que sea la celda la que emita luz infrarroja también podría ser posible obtener una corriente eléctrica.  En este sentido, utilizando la llamada celda termoradiactiva, es posible emitir radiación térmica siempre que la celda se apunte hacia el cielo nocturno (que es considerablemente más frío que la celda) y consecuentemente generar un voltaje negativo en la celda. Esto es posible porque la emisión de radiación térmica de la celda excede la absorción de radiación de los alrededores durante la operación. De esta manera, las celdas termo-radioactivas pueden ser utilizadas como unidades de recuperación de calor capaces de extraer potencia de una fuente de calor.

¿Cuánta energía se puede generar con celdas termo-radioactivas?

Ahora bien, para poder hacer estas celdas termoradiactivas (TR), es necesario definir el material a utilizar.

Para el material, sabiendo que la gran mayoría de las celdas fotovoltaicas están hechas de silicio, conviene descubrir si podría utilizarse el silicio para desarrollar celdas TR. Sin embargo, los científicos descubrieron que al utilizar silicio y emplear el método propuesto, la generación de potencia era tan baja como 2×10-4 W/m2.

Este resultado tan bajo, es producto de que los fotones que son emitidos por un cuerpo negro que se encuentra cerca de la temperatura ambiente (las celdas TR) son del tipo infrarrojo, y contienen mucha menos energía que la banda semiconductora del silicio (debe ser mayor para generar una ruptura y consecuente voltaje/corriente).

Sin embargo, de utilizar un material con una banda semiconductora muy baja, sería posible desarrollar el dispositivo, y alcanzar idealmente hasta 54W/m2, y potencialmente  10W/m2 un resultado bastante aceptable para la industria hoy en día con las economías de escala apropiadas.  De esta manera sería posible que los paneles generen electricidad 24/7 en vez de solo unas 8-10 horas en el día.

De hecho, de acuerdo con el Laboratorio Nacional de Energías Renovables de los Estados Unidos (NREL), el promedio de irradiancia solar en un día es de aproximadamente 5kWh/m2 en los Estados Unidos, del cual, sabiendo que la eficiencia actual de las celdas fotovoltaicas es cercana al 20%, una celda a nivel comercial podría ser capaz de generar cerca de 1kWh/m2 con condiciones ideales. Mientras tanto, una celda TR podría generar en promedio 120Wh/m2/día (asumiendo que opera durante 12horas), ello implicaría aproximadamente un aumento del 12% de energía generada por un sistema fotovoltaico.