Archivo para enero 4th, 2012


Un sistema termofotovoltaico convierte radiación de baja energía (correspondiente a la parte infrarroja del espectro, generalmente) en electricidad por medio de dispositivos fotovoltaicos similares a las células solares convencionales, denominados células fotovoltaicas . La radiación suele provenir en este caso de un material incadescente denominado radiador o emisor, que se calienta generalmente utilizando sistemas de combustión de materiales orgánicos, isótopos radiactivos u otras alternativas hasta alcanzar temperaturas en el rango de los 1000°C – |700°C. Para aprovechar eficienciemente dicha radiación de baja energía del emisor se necesitan células termofotovoltaicas fabricadas con semiconductores de un ancho de banda prohibida más reducido que el de las células solares convencionales, entre los que destacan el antimoniuro de galio (GaSb), semiconductor III-V con un gap directo de 0.72 eV a 300°K (que le permite extender su respuesta espectral hasta el 1.75 micrometros) o el germanio (Ge) con gap indirecto de 0.66 eV (y respuesta espectral hasta 1.86 micrometros).

Utilizando esta misma idea, la idea básica de un Sistema Solar Termofotovoltaico (STPV) es sustituir la fuente de combustión que calienta el emisor por un sistema óptico de concentración de la radiación solar. Dicha radiación concentrada calienta el emisor hasta su temperatura de operación habitual (algo imposible utilizando luz solar sin concentrár). La siguiente figura muestra el esquema básico de estos sistemas

Entonces, ¿cómo consigue un sistema STPV aumentar la eficiencia de conversión de la radiación en electricidad?. La respuesta se encuentra en el hecho de que la fuente de radiación se ha trasladado del astro solar, astronómicamente lejano y, por ello, obviamente no manipulable, al interior del propio sistema.

Esto permite que el diseñado pueda actuar en dos direcciones:

  • Modificando las longitudes de onda de la radiación incidente y adaptándolas a la región espectral en la que las células termofotovoltaicas presentan mayores eficiencias de conversión, de manera análoga a lo que ocurre con los sistemas fotovoltaicos iluminados con luz monocromática. Para ello se recurre a la ingeniería de materiales para la elección y fabricación del emisor o radiador del sistema.
  • Permitiendo la recuperación o recirculación de los fotones no aprovechables por las células termofotovoltaicas, mediante la incorporación de filtros ópticos entre el emisor y las células y/o reflectores traseros que permiten redirigir dicha radiación de nuevo hasta el emisor, donde se reabsorbe y reutiliza para elevar la temperatura de operación del mismo.
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Aunque no es el único, uno de los factores limitadores de mayor peso es el relativo al propio mecanismo fotovoltaico de conversión de radiación en energía eléctrica. Hay que recordar que en un material semiconductor la mayor parte de los electrones se encuentran ligados a sus respectivos átomos. Cuando la radiación penetra en el material semiconductor, los fotones de la misma colisionan con los electrones, cediéndoles su energía en la interacción. Sólo si esta energía es igual o superior al valor del ancho de banda prohibida o gap del material el electrón ligado será extraído de su átomo y se podrá mover con libertad por el semiconductor, algo que en términos más técnicos se conoce como fotogeneración de un par electrón-hueco. Tras ello, la estructura interna de unión p/n de la célula solar es la que permitirá, tras la interacción fotón-electrón descrita, extraer el mayor número posible de electrones y huecos fotogenerados del dispositivo antes de que se vuelvan a recombinar. Pero es en dicha interacción fotón-electrón donde reside una de las claves de la eficiencia de conversión fotovoltaica, ya que:

  • La radiación incidente con energía menor que la del gap delsemiconductor no podrá contribuir a la fotogeneración, al no poder ceder la energía mínima necesaria para que un electrón de la banda de valencia (electrón ligado), pase a la banda de conducción (electrón libre). Si no se reaprovecha, dicha energía se perderá.
  • La radiación incidente con energía igual o superior a la del gap contribuirá a la fotogeneración. Sin embargo, cuando la energía de los fotones incidentes es superior a la del gap, con ella se generan pares electrón-hueco, éstos adquieren dicha energía pero pierden el exceso paulatinamente mediante interacciones –choques, básicamente- con los átomos del semiconductor (técnicamente, se termalizan), siendo aprovechada sólo la energía del gap.

Aunque son otros muchos factores adicionales los que también contribuyen a la eficiencia del dispositivo –calidad eléctrica y óptica del semiconductor, gap directo o indirecto del mismo, estructura de célula optimizada (dopajes, espesores), existencia de capas antirreflectantes, minimización de las pérdidas por efecto Joule, etc.–, queda claro que uno de los requisitos para una conversión fotovoltaica eficiente es que el espectro de radiación sea lo más cercano posible al gap del semiconductor en el que se fabrican los dispositivos. De hecho, se ha demostrado que dispositivos fotovoltaicos de GaAs que trabajan con luz monocromática acoplada al valor del gap del semiconductor pueden alcanzar eficiencias de conversión entre el 40 y el 50%

 PD: Reciente investigaciones en Israel han reportado alcanzar eficiencias del 75% en centrales solares de concentración.