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Investigación española en busca de la célula solar más eficiente

Un grupo de investigación de la Universidad Complutense de Madrid estudia desde hace 5 años un nuevo tipo de materiales cuya aplicación en células solares ha mostrado recientemente resultados muy prometedores. Este nuevo concepto se basa en un aprovechamiento más eficiente de la radiación solar, usando para ello el concepto de materiales de banda intermedia.
Predicen para este tipo de células solares eficiencias de hasta el 60%, valores muy por encima de la eficiencia actual para células de Si de una sola unión (22%).

“Los materiales de banda intermedia representan uno de los conceptos más revolucionarios y prometedores que se están desarrollando en los últimos años para aumentar la eficiencia de las células solares” explica David Pastor, investigador de la Facultad de Ciencias Físicas de laUniversidad Complutense de Madrid (UCM).
Actualmente nos encontramos inmersos en la tercera generación de dispositivos fotovoltaicos donde se proponen toda una clase de tecnologías que pretenden obtener células fotovoltaicas de alta eficiencia utilizando técnicas y procesos de fabricación que no encarezcan excesivamente los costes. Estas nuevas tecnologías tienen el potencial de superar las eficiencias máximas impuestas por el límite termodinámico que está situado alrededor del 40%.
“De cumplirse los objetivos que se plantean en esta tercera generación, la energía fotovoltaica podría convertirse en una opción competitiva frente a otras fuentes de energía no renovables”, comenta Javier Olea, otro de los investigadores del grupo.
Fig. 2:
Esquema de energías de la banda intermedia. Fuente: UCM
Fig. 1:
Representación de las eficiencias y los costes para cada una de las generaciones de células fotovoltaicas. Fuente: UCM

Una de las tecnologías utilizadas para desarrollar materiales de banda intermedia consiste en la introducción de una alta concentración de átomos de impurezas que creen niveles profundos con energías situadas en el medio de la banda prohibida de energías (gap) del semiconductor huésped. Esto permitiría excitar portadores no sólo desde la banda de valencia a la banda de conducción del semiconductor mediante la absorción de fotones con energía igual o superior a la energía del gap del semiconductor, tal y como ocurre en las células solares tradicionales, sino que se podrían excitar electrones a la banda de conducción mediante fotones con energía inferior al gap del semiconductor, aumentando notablemente la eficiencia de la célula fotovoltaica.
Cálculos teóricos realizados por los profesores Antonio Luque y Antonio Martí, del Instituto de Energía Solar (I.E.S.) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), predicen para este tipo de células solares eficiencias de hasta el 60%, valores muy por encima de la eficiencia actual para células de Si de una sola unión (22%). Es decir, con el mismo área de material se podrían provechar muchos más fotones procedentes del sol para obtener energía eléctrica.
Una nueva generación de dispositivos fotovoltaicos
El grupo de investigación Láminas Delgadas y Microelectrónica de la Facultad de Ciencias Físicas de la Universidad Complutense de Madrid, liderado por el profesor Germán González, se dedica desde hace cinco años a investigar y desarrollar tecnologías para la obtención de materiales de banda intermedia. Estas investigaciones se han desarrollado en el marco de los proyectos CONSOLIDER GENESIS-FV del Ministerio de Ciencia e Innovación y NUMANCIA II de la Comunidad Autónoma de Madrid, donde colaboran hasta una decena de grupos de investigación. Estos proyectos están coordinados por los profesores Antonio Luque y Antonio Martí, del Instituto de Energía Solar (I.E.S.) de laUniversidad Politécnica de Madrid.
Resultados experimentales obtenidos recientemente por el grupo han demostrado que la introducción mediante implantación iónica de titanio en silicio genera materiales de banda intermedia.
“Este trabajo ha sido posible gracias a la labor que se desarrolla en los C.A.I. (Centro de Asistencia a la Investigación) de Técnicas Físicas, especialmente el servicio de Microelectrónica y de Microscopía Electrónica del campus de la UCM”, nos comenta el profesor Germán González.
Fig. 3:
Maite Irigoyen y Eric García tras recibir el premio. Fuente: UCM
Por las investigaciones realizadas para obtener este nuevo tipo de materiales, dos alumnos de la Facultad de Ciencias Físicas de la Universidad Complutense de Madrid, Maite Irigoien y Eric García, fueron distinguidos el pasado 24 de noviembre con el Primer Premio en el área de Ciencias Experimentales y Ambientales en el . Maite Irigoyen y Eric García presentaron conjuntamente en este certamen los resultados obtenidos en un trabajo titulado “Materiales de banda intermedia para una nueva generación de células solares”. En esta edición del certamen se presentaban 129 trabajos procedentes de 39 universidades españolas. Este premio incluye una dotación de 9000 euros para los participantes y de 3000 euros para los tutores.
Recientemente se ha presentado una solicitud de patente española en copropiedad UCM-UPM para proteger los resultados generados por los investigadores implicados de ambas universidades donde se proponen nuevas estrategias para fabricar células solares utilizando materiales de banda intermedia.
Referencias bibliográficas:A. Luque y A. Martí, “Increasing the efficiency of ideal solar cells by photon induced transitions at intermediate levels”, Physical Review Letters 78, 5014 – 5017 (1997).
A. Luque y A. Martí, “The intermediate band solar cell: progress toward the realization of an attractive concept”, Advanced Materials 21, 1 – 15 (2010).

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