Desarrollan células termofotovoltaicas de puente aéreo con una eficiencia del 44%

La termofotovoltaica (TPV, por sus iniciales en inglés) es una tecnología de generación de energía que utiliza la radiación térmica para generar electricidad en células fotovoltaicas. Un sistema TPV consta generalmente de un emisor térmico que puede alcanzar altas temperaturas, cercanas o superiores a 1.000 ºC, y una célula fotovoltaica de diodos que puede absorber los fotones procedentes de la fuente de calor.

La tecnología lleva décadas despertando el interés de los científicos, porque puede captar la luz solar en todo el espectro solar y tiene el potencial técnico de superar el límite Shockley-Queisser de la fotovoltaica tradicional. Sin embargo, las eficiencias registradas hasta ahora han sido demasiado bajas para hacerla comercialmente viable, ya que los dispositivos TPV siguen sufriendo pérdidas ópticas y térmicas.

En este sentido, un grupo de investigadores de la Universidad de Michigan (Estados Unidos) ha desarrollado células TPV que, al parecer, resuelven estos problemas y alcanzan una eficiencia de conversión energética del 44%.

“Este nivel de eficiencia podría permitir a los sistemas de baterías térmicas alcanzar el precio necesario para que la mayor parte de la red funcione con energía eólica y solar”, declaró a pv magazine el autor principal de la investigación, Andrej Lenert. “Estos sistemas tienen que extraer continuamente energía de un material de almacenamiento caliente, como el grafito, a medida que se enfría desde su temperatura máxima admisible. Conseguir una eficiencia del 40% a temperaturas de almacenamiento tan bajas como 1.300 ºC, frente a los 2.000 ºC que se necesitaban antes, significa que estas baterías podrían obtener posiblemente el doble de energía por kg de grafito”.

Según Lenert, este resultado representa una mejora importante en los TPV y en la generación de calor-energía en estado sólido en general. “Es la culminación de varios años de intensa investigación para comprender cómo minimizar las pérdidas de energía y los problemas mecánicos en las células TPV de puente aéreo, de las que informamos originalmente en 2020”, añadió. “Aquellas células tenían una eficiencia del 32% y eran relativamente frágiles; ahora estamos más cerca del 44% y contamos con una tecnología mucho más robusta”. Aunque todavía no a escala de kW o MW, este resultado demuestra lo que es posible con las células TPV de unión única, cumpliendo las predicciones teóricas realizadas hace décadas por la comunidad TPV”.

En el estudio “High-efficiency air-bridge thermophotovoltaic cells” (Células termofotovoltaicas de puente aéreo de alta eficiencia), publicado recientemente en Joule, Lenert y sus colegas describen la célula como un dispositivo de arseniuro de indio y galio (InGaAs) con puente de aire que puede absorber la mayor parte de la radiación dentro de la banda para generar electricidad. También puede servir de espejo casi perfecto, con una reflectancia de casi el 99%.

La célula se construyó con un sustrato de silicio, una estructura de puente de aire de 570 nm de grosor, un contacto posterior de oro (Au), titanio (Ti), una capa de InGaAs dopado con n, una capa de membrana de 1 µm de grosor, un absorbedor de InGaAs y un contacto frontal de Au, Ti, platino (Pt) e InGaAs dopado con p. Se ensayaron tres capas absorbentes diferentes con bandgaps de energía de 0,74 eV, 0,90 eV y 1,1 eV, respectivamente.

La capa de puente de aire está incrustada entre las tres capas activas y el espejo trasero de Au para mejorar la reflectancia trasera y la recuperación de fotones fuera de banda. La capa de soporte de la membrana está pensada para minimizar el pandeo de la membrana semiconductora independiente y garantizar un único modo de cavidad dentro de la capa de aire.

“La combinación de una capa de aire a nanoescala y una cobertura relativamente alta de electrodos posteriores conductores garantiza que la resistencia térmica del puente aéreo sea pequeña en comparación con la del sustrato de Si”, subrayan los científicos. “Además, el diseño incluye una capa de soporte de la membrana para minimizar el pandeo de la membrana semiconductora independiente y garantizar un único modo de cavidad dentro de la capa de aire”.

Los investigadores descubrieron que la célula con un bandgap absorbente de 0,90 eV era la que obtenía el mejor rendimiento. Alcanzó una eficiencia de conversión de energía del 43,8% a 1.435 ºC. “Supera el 37% logrado por diseños anteriores dentro de este rango de temperaturas”, declaró Lenert. “Aún no hemos llegado al límite de eficiencia de esta tecnología. Confío en que superaremos el 44% y llegaremos al 50% en un futuro no muy lejano”, añadió Stephen R. Forrest, coautor de la investigación”.

Estos resultados, según el grupo de investigación, también prometen mejoras significativas en la eficiencia de ida y vuelta del dispositivo. “Es una forma de batería, pero muy pasiva. No hay que extraer litio como con las pilas electroquímicas, lo que significa que no hay que competir con el mercado de vehículos eléctricos”, explicó Forrest. “A diferencia del agua bombeada para el almacenamiento de energía hidroeléctrica, puedes colocarlo en cualquier sitio y no necesitas una fuente de agua cercana”.