Generador termoeléctrico solar 15 veces más eficiente que los mejores de hoy en día

En la búsqueda de fuentes limpias y sostenibles de energía, hay científicos trabajando en el desarrollo de generadores termoeléctricos solares como una fuente prometedora de generación de electricidad solar. A diferencia de la energía fotovoltaica utilizada actualmente en la mayoría de los paneles solares, los generadores termoeléctricos solares pueden aprovechar todo tipo de energía térmica, además de la luz solar. Estos dispositivos simples tienen un lado caliente y otro frío con materiales semiconductores entre ellos, y la diferencia de temperatura entre ambos genera electricidad mediante un fenómeno físico conocido como efecto Seebeck.

Sin embargo, los generadores termoeléctricos solares actuales presentan importantes limitaciones de eficiencia que impiden su adopción generalizada como forma práctica de producción de energía. Actualmente, la mayoría de los generadores termoeléctricos solares convierten menos del 1% de la luz solar en electricidad, en comparación con aproximadamente el 20% logrado por los paneles solares convencionales instalados en edificios residenciales.

Esta brecha en la eficiencia se ha reducido de manera espectacular gracias a nuevas técnicas desarrolladas por investigadores del Instituto de Óptica de la Universidad de Rochester, en Estados Unidos.

El equipo, integrado entre otros por Tianshu Xu y Chunlei Guo, ha diseñado un generador termoeléctrico solar 15 veces más eficiente energéticamente que los dispositivos anteriores.

Chunlei Guo probando un generador termoeléctrico solar. (Foto: University of Rochester / J. Adam Fenster)

“Durante décadas, las investigaciones se han centrado en mejorar los materiales semiconductores utilizados en los generadores termoeléctricos solares y solo han logrado mejoras modestas en la eficiencia general”, explica Guo. “En nuestra investigación, ni siquiera tocamos los materiales semiconductores; en vez de eso, nos centramos en los lados caliente y frío del dispositivo. Al combinar una mejor absorción de energía solar y de retención de calor en el lado caliente con una mejor disipación de calor en el lado frío, logramos una mejora asombrosa en la eficiencia”.

Los nuevos y eficientes generadores termoeléctricos solares se diseñaron siguiendo tres estrategias. Primero, en el lado caliente del generador termoeléctrico solar, los investigadores utilizaron una tecnología especial desarrollada en el laboratorio de Guo para transformar el tungsteno corriente y absorber selectivamente la luz en las longitudes de onda idóneas para la energía solar. Utilizando potentes pulsos láser de femtosegundos de duración para grabar superficies metálicas con estructuras a nanoescala, mejoraron la absorción de energía solar del material, a la vez que redujeron la disipación de calor en otras longitudes de onda.

En segundo lugar, los investigadores cubrieron el metal con un trozo de plástico para crear un microinvernadero. Se puede minimizar la convección y la conducción de calor para retener más cantidad de este, aumentando la temperatura en el lado caliente.

Por último, en el lado frío del generador termoeléctrico solar, volvieron a utilizar pulsos láser de femtosegundos, pero esta vez sobre aluminio convencional, para crear un disipador de calor con estructuras diminutas que mejoraron tal disipación mediante radiación y convección. Este proceso duplica la capacidad de refrigeración de un disipador de calor de aluminio típico.

Xu, Guo y sus colegas exponen los detalles técnicos de su nuevo generador termoeléctrico solar en la revista académica Light Science & Applications, bajo el título “15-Fold increase in solar thermoelectric generator performance through femtosecond-laser spectral engineering and thermal management”. (Fuente: NCYT de Amazings)