Nanoestructuras encontradas en las alas de una mariposa incrementarían la eficiencia de los paneles solares hasta en un 200%

Por Amelia OS |

Publicado a las 03:00 PM CST en Nov 15,2017 | Actualizado a las 03:00 PM CST en Nov 15,201


Las micro y nanoestructuras encontradas en las alas de una mariposa negra azabache originaria de Asia ayudan a optimizar la absorción de la luz, un principio que los científicos alemanes han aplicado a la energía fotovoltaica para aumentar su capacidad de captación de luz y aumentar la eficiencia de las células solares.

Los paneles solares generalmente están hechos de células solares gruesas, y se colocan en un ángulo para obtener la mayor cantidad de luz del sol a medida que se mueve durante el día. Las células solares de película delgada, que pueden ser sólo nanómetros de espesor, tienen mucho potencial. Estos son más baratos y ligeros, pero debido a que son menos eficientes, por lo general los usamos sólo en relojes y calculadoras, en lugar de en paneles solares. Los científicos estudiaron las alas negras de la mariposa rosa, y copiaron la estructura para crear delgadas células solares que son más eficientes. A diferencia de otros tipos de células, estas pueden absorber mucha luz sin importar el ángulo, y también son fáciles de hacer. Los resultados fueron publicados en la revista Science Advances.

Las nanoestructuras del ala de la Pachliopta aristolochiae pueden ser transferidas a las células solares y aumentar sus tasas de absorción hasta un 200 por ciento.

Las alas de la mariposa Pachliopta aristolchiae son de un negro increíblemente oscuro, y perforadas con micro y nanoestructuras que le ayudan a absorber la luz en un amplio espectro mucho mejor que una superficie lisa. Investigadores del Instituto Tecnológico de Karlsruher (KIT) se han inspirado en este insecto del sudeste asiático, transfiriendo estas nanoestructuras a células solares.

Reportado en Science Advances, los investigadores afirman que han aumentado la tasa de absorción de sus células solares de capa delgada en hasta un 200%. La luz solar reflejada por las células solares se pierde como energía no utilizada, por lo que aumentar su capacidad de captación de luz, y por lo tanto la eficiencia, es increíblemente importante.

La mariposa estudiada por nosotros es negra muy oscura. Esto significa que absorbe perfectamente la luz solar para una gestión óptima del calor. Más fascinantes aún que su apariencia son los mecanismos que le ayudan a alcanzar la alta absorción. El potencial de optimización al transferir estas estructuras a los sistemas fotovoltaicos (PV) resultó ser mucho mayor de lo esperado. Dr. Hendrik Hölscher, Instituto de Tecnología de Microestructuras (IMT), KIT

Las nanoestructuras de la mariposa -que han evolucionado para recoger la luz solar en un amplio espectro espectral y angular- fueron reproducidas en una capa absorbente de silicio de una célula solar de película delgada por Hölscher y su colega Radwanul H Siddique, que actualmente se encuentra en Caltech en Estados Unidos.

Las alas de mariposa inspiran una mejor manera de absorber la luz en los paneles solares . Imagen: Radwanul Hasan Siddique, KIT/Caltech

El análisis de la absorción de la luz mostró resultados prometedores: en comparación con una superficie lisa, la tasa de absorción de la luz incidente perpendicular aumenta en un 97% y continúa aumentando hasta alcanzar el 207% en un ángulo de incidencia de 50 grados.

“Esto es particularmente interesante en condiciones europeas. Con frecuencia, tenemos luz difusa que apenas cae sobre las células solares en un ángulo vertical” , dice Hölscher.

 

Pero esto no significa que la eficiencia del sistema fotovoltaico completo se vea incrementada por el mismo factor, explica Guillaume Gomard, también de IMT, “También juegan un papel otros componentes. Por lo tanto, el 200% debe ser considerado un límite teórico para el aumento de la eficiencia”.

Antes de transferir las nanoestructuras a las células solares, los investigadores tuvieron que determinar el diámetro y la disposición de los nano-ollos en las alas de la mariposa empleando microscopía electrónica de barrido.

Imagen: Radwanul Hasan Siddique, KIT/Caltech

Usando una simulación computarizada, analizaron las tasas de absorción de luz para varios patrones de agujeros, encontrando que los agujeros desordenados de diámetros variables – como los encontrados en la mariposa aristolquiácea de Pachliopta – producían las tasas de absorción más estables sobre el espectro completo en ángulos de incidencia variables con respecto a los nano-ollos ordenados periódicamente.

De este modo, los investigadores diseñaron un absorbedor fotovoltaico fino y nanoestructurado de nano-ollos desordenados, que combina propiedades eficientes de luz en el acoplamiento y de trampa de luz junto con una gran robustez angular. Sus orificios desordenadamente colocados tenían diámetros que variaban de 133 a 143 nanómetros.

Los investigadores pudieron demostrar que el rendimiento de la luz se puede mejorar considerablemente eliminando material y fabricando estos nano-ollos. A pesar de trabajar únicamente con silicio amorfo hidrogenado, los investigadores creen que cualquier tipo de fotovoltaica de capa fina puede ser mejorada con esta nanoestructura, incluso a escala industrial.

Los módulos fotovoltaicos de capa delgada son una alternativa económica y atractiva a las células solares de silicio cristalino convencionales, ya que la capa de absorción de luz es hasta 1.000 veces más fina. Mientras que el consumo de material se reduce, las tasas de absorción de estas capas delgadas son inferiores a las de las células de silicio cristalino, por lo que se utilizan en sistemas de baja potencia como relojes y calculadoras. Una mejor absorción significaría que las células de película delgada podrían ser utilizadas en aplicaciones más grandes, como los sistemas fotovoltaicos para tejados.


Referencias & Fuentes

theengineer.co.uk |Butterfly wings inspire solar cell efficiency

theverge.com |Butterfly wings inspire a better way to absorb light in solar panels

 

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Amelia Oliveira Santos

Investigador asociado: temas biocombustibles, nanomateriales, Olimpiadas Nacionales de Química

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