Dado que las celdas solares usan uno o más materiales semiconductores para convertir la luz en electricidad, y que la eficiencia de esa conversión depende del material y la longitud de onda de la luz, ¿por qué no se puede diseñar una celda solar más óptima de esta manera ?
No tengo idea de cómo "Convertir" la luz, pero parece que podría ser posible si los fotones pasaran primero a través de un medio particular en el que la velocidad de la luz es diferente. Entonces, más específicamente, ¿existe una forma común de convertir la luz con una longitud de onda pequeña en una longitud de onda más alta? Si es así, parece un diseño razonable.
Subes 4 puntos muy buenos.
Sin explotar los gradientes de temperatura o la fisión/fusión de portadores de carga fotogenerados, la división espectral y la modificación espectral son las únicas rutas hacia células solares de muy alta eficiencia.
Adaptando la celda al espectro
La división espectral se puede lograr de dos maneras:
Reflectores selectivos (que dividen la luz como un prisma) que rebotan fotones hacia una celda solar emparejada,
Células solares de unión múltiple.
Ambos enfoques adaptan el diseño de la celda solar al espectro solar.
Este último es el enfoque más común y, en esencia, está utilizando la disposición espacial y la propiedad de la brecha de banda (que es diferente para cada celda o "unión") de cada material para dividir el espectro en varias celdas.
El primer enfoque también se está explorando actualmente, pero requiere reflectores selectivos muy eficientes ópticamente y son inherentemente más voluminosos y (probablemente) costosos.
Las celdas solares de unión múltiple son el único enfoque real a corto plazo para eficiencias muy altas. El diseño de celdas reales está limitado porque solo se pueden cultivar con materiales que comparten la misma constante de red. Existen otros enfoques de "apilamiento mecánico" que permiten apilar materiales de diferentes constantes de red, pero esto presenta muchos desafíos tecnológicos.
En principio, estos enfoques pueden lograr un dispositivo con una eficiencia del 86 % (con un número infinito de uniones o cortes espectrales). Una de las razones por las que no ve celdas tan eficientes es por el efecto de los rendimientos decrecientes. Por ejemplo, puede pasar del 30 % al 55 % de eficiencia del dispositivo al pasar de un cruce a tres. Sin embargo, para pasar del 55 % al 86 %, ¡se necesitan infinitamente muchas más uniones! Además, cada vez que se agrega un nuevo cruce, contribuye menos a la mejora general de la eficiencia. Además, la dificultad tecnológica aumenta mucho más rápido a medida que se agregan más y más cruces. En algún momento se alcanzará un límite más allá del cual no tiene mucho sentido agregar más capas.
Adaptación del espectro a la célula solar
Su #4 es un ejemplo de lo contrario, donde el espectro se modifica para adaptarse mejor a la celda solar. Estos enfoques generalmente se denominan conversión ascendente y conversión descendente de fotones.
Esto se puede lograr utilizando un sistema de tres niveles. Recapitulemos. Las células solares normales y los semiconductores en general son sistemas de dos niveles, lo que significa que existe una única transición óptica dominante entre el nivel inferior y el superior. Sin embargo, con un sistema de tres niveles es posible usar las transiciones ópticas adicionales para cambiar la energía de los fotones absorbidos.
En la conversión ascendente, un fotón de baja energía provoca una transición del nivel de energía 1 (el nivel de energía más bajo) al nivel 2. Luego, un segundo fotón de baja energía puede causar una transición del nivel 2 al nivel 3 (el nivel más alto). Finalmente, el electrón que ha sido ascendido al nivel 3 puede caer directamente al nivel 1 en un solo paso. Los dos fotones de baja energía se han convertido en un fotón de alta energía.
En la conversión descendente, un fotón de alta energía promueve un electrón de 1 a 3, y al caer al nivel de energía 2 y luego al 1, se pueden emitir dos fotones. Por lo tanto, un fotón de alta energía entra y dos fotones de baja energía salen.
Por supuesto, el siguiente paso sería usar una celda solar para recolectar los fotones convertidos. Los convertidores ascendentes y descendentes en sí mismos no generan energía.
Otros enfoques
Hay otros enfoques para alcanzar una mayor eficiencia. En materiales especialmente diseñados, los fotones de alta energía pueden generar múltiples pares de agujeros de electrones, lo que proporciona más corriente por fotón que las células solares normales.
Luego están los enfoques de portadores calientes. Si un material mantiene un gradiente térmico, esto proporciona un potencial termodinámico adicional que permite lograr mayores eficiencias.
¡Incluso puede usar materiales portadores calientes como convertidores espectrales! He trabajado en este enfoque durante los últimos años.
Juan Rennie
jon custer
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