Para lograrlo, el equipo de investigación utilizó una célula muy delgada de arseniuro de galio y aplicó un espejo conductor altamente reflectante en la parte trasera. Las células fotovoltaicas convierten la luz en electricidad. La luz se absorbe en una estructura celular fabricada con material semiconductor, por ejemplo, de arseniuro de galio. La luz absorbida libera las cargas positivas y negativas, que son conducidas a los contactos frontal y posterior de la célula, generando electricidad.
Este “efecto fotovoltaico” es particularmente eficaz cuando la energía de la luz incidente se sitúa ligeramente por encima de la denominada energía de banda prohibida inherente al material semiconductor. Por tanto, teóricamente son posibles eficiencias muy elevadas cuando un láser monocromático como fuente de luz se combina con un material compuesto semiconductor adecuado.
En esta nueva forma de transferencia de energía, llamada energía por luz, la energía del láser se envía a través del aire o mediante una fibra óptica a una célula fotovoltaica cuyas propiedades coinciden con la potencia y la longitud de onda de la luz láser monocromática. En comparación con la transmisión de energía convencional a través de cables de cobre, los sistemas de energía por luz son especialmente beneficiosos para aplicaciones que requieren una fuente de alimentación aislada galvánicamente, protección contra rayos o explosiones, compatibilidad electromagnética o transmisión de energía completamente inalámbrica, por ejemplo.
Los investigadores de Fraunhofer ISE han logrado una eficiencia de conversión récord del 68,9% para una célula fotovoltaica semiconductora III-V basada en arseniuro de galio expuesta a luz láser de 858 nanómetros. Esta es la eficiencia más alta alcanzada hasta la fecha para la conversión de luz en electricidad. Un éxito que ha sido posible gracias a una tecnología especial de capa fina en la que las capas de células solares se cultivan primero sobre un sustrato de arseniuro de galio que luego se elimina. Además, se aplica un espejo conductor altamente reflectante a la superficie posterior de la estructura semiconductora restante, que tiene solo unos pocos micrómetros de espesor.
“Este enfoque de capa delgada tiene dos ventajas distintas para la eficiencia”, explica el físico Henning Helmers, jefe del equipo de investigación del Fraunhofer ISE. “En primer lugar, los fotones quedan atrapados en la célula y la absorción se maximiza para las energías de fotones cercanas a la banda prohibida, lo que minimiza simultáneamente las pérdidas por termalización y transmisión, haciendo que la célula sea más eficiente. En segundo lugar, los fotones generados internamente por recombinación radiativa quedan atrapados y se reciclan de manera efectiva. Esto prolonga la vida útil efectiva de la portadora y, por lo tanto, aumenta adicionalmente el voltaje”.
El grupo investigó con células fotovoltaicas de capa fina con reflectores de superficie posterior hechos de oro y una combinación ópticamente optimizada de cerámica y plata. Esta última es la que mejores resultados ofreció. Se desarrolló una heteroestructura de arseniuro de galio y aluminio (n-GaAs / p-AlGaAs) como absorbente, que muestra pérdidas de portador de carga particularmente bajas debido a la recombinación.
“Este es un resultado impresionante que muestra el potencial de la energía fotovoltaica para aplicaciones industriales más allá de la generación de energía solar”, apunta Andreas Bett, director del instituto de Fraunhofer ISE. La transmisión de energía óptica tiene múltiples aplicaciones. Por ejemplo, la revisión estructural de aerogeneradores la monitorización de líneas de alta tensión, sensores de combustible en tanques de aviones o redes ópticas pasivas, el suministro óptico de implantes desde el exterior del cuerpo, o una fuente de alimentación inalámbrica para aplicaciones en la internet de las cosas.
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