Impresión artística de las actividades en una base lunar. Investigadores de la Universidad de Pensilvania han propuesto un diseño mejorado para células solares de dicalcogenuro de metal de transición 2D (2D TMDC), una solución prometedora para proporcionar energía en la exploración espacial y asentamientos debido a sus propiedades de peso ligero. Crédito: ESA – P. Carril
Investigadores de la Universidad de Pensilvania han propuesto un nuevo diseño para células solares ligeras de dicalcogenuro de metal de transición 2D (2D TMDC), que podrían duplicar su eficiencia del 5 % al 12 %. Estas células, idóneas para aplicaciones espaciales por su alto poder específico, están potenciadas mediante una estructura superretícula, lo que se traduce en una mayor absorción solar. El siguiente paso es desarrollar un método para la producción a gran escala.
Cuando se trata de impulsar la exploración espacial y los asentamientos, las células solares comúnmente disponibles hechas de silicio o arseniuro de galio todavía son demasiado pesadas para ser transportadas en un cohete. Para enfrentar este desafío, se está explorando una amplia gama de alternativas livianas, incluidas las celdas solares hechas de una capa delgada de seleniuro de molibdeno, que se incluyen en la categoría más amplia de celdas solares de dicalcogenuro de metal de transición 2D (2D TMDC). En la edición inaugural del 6 de junio de la revista Device, los investigadores proponen un diseño de dispositivo que podría llevar la eficiencia de los dispositivos 2D TMDC del 5 %, como ya se demostró, al 12 %.
«Creo que la gente se está dando cuenta poco a poco de que los TMDC 2D son excelentes materiales fotovoltaicos, aunque no para aplicaciones terrestres sino para aplicaciones móviles, más flexibles, como las aplicaciones espaciales», dice el autor principal y miembro de la junta asesora de dispositivos, Deep Jariwala, de la Universidad de Pensilvania. “El peso de las células solares TMDC 2D es 100 veces menor que el de las células solares de arseniuro de galio o silicio, por lo que de repente estas células se convierten en una tecnología muy atractiva”.
Aunque las células solares 2D TMDC no son tan eficientes como las células solares de silicio, producen más electricidad por peso, una propiedad conocida como «potencia específica». Esto se debe a que una capa de solo 3 a 5 nanómetros de espesor, o más de mil veces más delgada que un cabello humano, absorbe una cantidad de luz solar comparable a las células solares disponibles en el mercado. Su extrema delgadez es lo que les otorga la etiqueta «2D»: se consideran «planos» porque solo tienen unos pocos átomos de espesor.
¿Qué tan buenas pueden ser las células solares excitónicas 2D? Crédito: Dispositivo/Hu et al.
«La alta potencia específica es en realidad uno de los mayores objetivos de cualquier tecnología de recolección de energía o recolección de luz basada en el espacio», dice Jariwala. «Esto no solo es importante para los satélites o las estaciones espaciales, sino también si desea energía solar a gran escala en el espacio».
“La cantidad de celdas solares que tendrías que enviar es tan grande que actualmente ninguna nave espacial puede transportar este tipo de material de manera económicamente viable. Así que realmente la solución es duplicar las celdas de peso más ligero, lo que te da una potencia mucho más específica”.
El potencial completo de las celdas solares TMDC 2D aún no se ha aprovechado por completo, por lo que Jariwala y su equipo buscaron aumentar aún más la eficiencia de las celdas. Por lo general, el rendimiento de este tipo de celda solar se optimiza mediante la fabricación de una serie de dispositivos de prueba, pero el equipo de Jariwala cree que es importante hacerlo a través del modelado por computadora.
Además, el equipo cree que para realmente ampliar los límites de la eficiencia, es esencial tener en cuenta adecuadamente una de las características definitorias y difíciles de modelar del dispositivo: los excitones.
Los excitones se producen cuando la celda solar absorbe la luz solar, y su presencia dominante es la razón por la cual una celda solar 2D TMDC tiene una absorción solar tan alta. La celda solar produce electricidad cuando los componentes cargados positiva y negativamente de un excitón se canalizan a electrodos separados.
Al modelar las células solares de esta manera, el equipo pudo diseñar un diseño dos veces más eficiente que lo que ya se había demostrado experimentalmente.
“La parte única de este dispositivo es su estructura de superred, lo que esencialmente significa que hay capas alternas de TMDC 2D separadas por un espaciador o una capa no semiconductora”, dice Jariwala. “Espaciar las capas te permite reflejar la luz muchas, muchas veces dentro de la estructura celular, incluso cuando la estructura celular es extremadamente delgada”.
“No esperábamos que células tan finas tuvieran un valor del 12 %. Dado que las eficiencias actuales son inferiores al 5 %, mi esperanza es que en los próximos 4 a 5 años las personas puedan demostrar células con una eficiencia del 10 % o más”.
Jariwala dice que el siguiente paso es pensar en cómo lograr una producción a gran escala para el proyecto propuesto. “Actualmente estamos construyendo estas superredes transfiriendo materiales individuales unos sobre otros, como hojas de papel. Es como si los estuvieras arrancando de un libro y pegándolos como una pila de notas adhesivas”, dice Jariwala. “Necesitamos una forma de hacer crecer estos materiales directamente uno encima del otro”.
Referencia: «¿Qué tan buenas pueden ser las células solares excitónicas 2D?» por Zekun Hu, Da Lin, Jason Lynch, Kevin Xu y Deep Jariwala, 6 de junio de 2023, Device.
DOI: 10.1016/j.dispositivo.2023.100003
Este trabajo fue apoyado por la Oficina Asiática de Investigación y Desarrollo Aeroespacial (AOARD), la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (AFOSR), la Oficina de Investigación Naval, la Fundación de Investigación de la Universidad de Penn, la Fundación Alfred P. Sloan y por el Centro de Becas de Investigación de Pregrado (CURF) en U. Penn.
