Papel y fotovoltaica: el material a base de pulpa de madera aumenta la eficiencia fotovoltaica orgánica

Hoy en día, las células solares se fabrican a partir de una amplia combinación de materiales, desde materiales terrestres (silicio y carbono) hasta metales exóticos de tierras raras (indio, galio, etc.), y desde polímeros hasta materiales orgánicos. Un nuevo estudio de investigación muestra que podría ser el momento de agregar la pulpa de madera a esa lista.

Investigadores de la Universidad de Maryland, la Universidad Tecnológica del Sur de China y la Universidad de Nebraska-Lincoln han desarrollado un nuevo “nanopapel” a base de fibra de madera que algún día podría reemplazar los sustratos plásticos utilizados en algunas células solares debido a sus propiedades ópticas únicas.

Todos los módulos fotovoltaicos requieren que las células estén cubiertas y encapsuladas con un material protector para protegerlas del deterioro. Sin embargo, para lograr una alta eficiencia, todas las capas a través de las cuales pasa la luz entrante deben ser (a) altamente transparentes (para garantizar que la luz pase) y (b) dispersar la luz entrante (para garantizar que no entre luz en el material). llega). ligeramente reflejado hacia atrás).

Es fácil difundir la luz haciéndola opaca: piense en vidrio translúcido o rayado, pero una alta opacidad y una alta transparencia a menudo no van juntas (es difícil ver a través del vidrio translúcido). Del mismo modo, los materiales altamente transparentes como el vidrio transparente y el plástico utilizados para cubrir el frente (lado orientado al sol) de una celda en un panel solar típico tienen una alta transparencia (90%) pero bajos valores de turbidez óptica (alrededor del 20%).

Sin embargo, se encontró que el nuevo material similar al papel (ver imagen arriba) desarrollado en este estudio
tienen una transparencia ultra alta del 96 % y una turbidez óptica ultra alta del 60 %, el valor de turbidez óptica más alto registrado hasta la fecha para dichos materiales de sustrato.

Esto confiere al nuevo material, fabricado principalmente a partir de pulpa de madera de pino, propiedades únicas.
el tamaño extremadamente pequeño de los nanoporos que se crean en el material durante el procesamiento de las fibras de madera
A través de un paso especial de tratamiento térmico, que los investigadores llaman proceso “TEMPO”, se descomponen en capas densas y sin huecos. La siguiente figura compara la estructura interna de la pulpa (arriba: “a” y “d”) con la de la película procesada (abajo: “b” y “e”) vista a través de un microscopio electrónico.

Haga clic en la imagen para ampliarla (crédito de la foto: Zhiqiang Fang et al. / Sociedad Química Americana)

Este avance es particularmente relevante para las células solares orgánicas, una tecnología fotovoltaica que hasta ahora ha eludido la comercialización. Los investigadores han descubierto que recubrir la superficie de una célula solar orgánica con su material similar al papel aumenta su eficiencia en un impresionante 10%. dr. Liangbing Hu, profesor asistente de la Universidad de Maryland, dice que son posibles ganancias de hasta el 20%.

A diferencia de los dispositivos de silicio o de película delgada, que son opacos, las células solares orgánicas son transparentes. Las ganancias en eficiencia, que confieren a estos dispositivos una gran ventaja para aplicaciones fotovoltaicas integradas en edificios, son aún más significativas. como el dr. Hu explica: “Un papel tan económico, de alta transparencia y de alta turbidez se puede utilizar como una película excelente para mejorar las propiedades de captura de luz para aplicaciones fotovoltaicas como paneles solares, techos solares o ventanas solares”.

Sin embargo, los investigadores no limitaron su aplicación a células orgánicas, sino que también aplicaron el nuevo material al silicio desnudo y encontraron una mejora del 20 por ciento en la absorción de luz en comparación con el silicio desnudo. Si bien actualmente se desconoce la importancia de este hecho para la eficiencia de las células solares de silicio estándar (las células solares estándar no utilizan silicio desnudo, por lo que no es una comparación justa), estos resultados sin duda serán de interés para los investigadores del silicio.

dr. Hu señala que su material no sólo utiliza un proceso que requiere menos tiempo y energía que otros procesos para producir “nanopapeles” similares, sino que su material también es más barato y más fácil de depositar que los plásticos, lo que potencialmente lo reemplaza en aplicaciones específicas.

Los investigadores esperan integrar con éxito su nuevo material en dispositivos existentes y estudiar más a fondo su estabilidad. Si se hace bien, esto debería contribuir en gran medida a atraer a las industrias electrónica y fotovoltaica, que son notoriamente persistentemente escépticas y secretamente esperanzadas en perspectivas fantásticas para nuevos materiales. Después de todo, ¿quién no quiere un material de alto rendimiento con bajo costo y huella energética derivado de fuentes renovables?

Crédito de la foto: Zhiqiang Fang et al. / Sociedad Química Americana