Investigadores de la Universidad Case Western Reserve y la Universidad de Rochester han desarrollado una nueva clase de recubrimientos ópticos que, según dicen, podrían hacer que las células fotovoltaicas (PV) utilizadas para la energía solar duren seis veces más, lo que reduce drásticamente el costo de reemplazar las células gastadas.
Los recubrimientos ópticos son capas de material depositadas sobre una superficie, generalmente la lente de un instrumento, para reflejar o filtrar la luz en diferentes longitudes de onda. Son un componente integral en casi todos los instrumentos ópticos, desde anteojos hasta telescopios y espejos simples o muy complejos.
Estos nuevos recubrimientos se pueden hacer para reflejar completamente solo un rango de longitud de onda muy estrecho que corresponde al rango que produce electricidad de manera eficiente mediante una celda fotovoltaica.
Eso significa que podrían conducir a una solución de alto rendimiento y bajo costo para un gran obstáculo que enfrenta la generación de energía solar, dijo Giuseppe Strangi, profesor de física e investigador académico de Ohio en Case Western Reserve.
El problema fotovoltaico es doble: los paneles fotovoltaicos producen energía de manera eficiente durante el día, cuando la demanda de energía es relativamente baja, pero no después de la puesta del sol, cuando la demanda es alta, antes y después del trabajo. Además, almacenar la energía generada por los paneles fotovoltaicos para superar ese dilema es costoso.
Estos nuevos recubrimientos, además de la capacidad de ajustarse para reflejar la longitud de onda fotovoltaica perfecta, también podrían fabricarse para absorber el resto del espectro solar. Eso significa que podrían transferir de manera eficiente esas longitudes de onda particulares al calor. Y almacenar esa energía térmica es relativamente económico, en comparación con almacenar electricidad.
Este enfoque también protegería la celda fotovoltaica del sobrecalentamiento, lo que llevaría a la promesa de un aumento de seis veces en la duración de las celdas fotovoltaicas, dijo Strangi.
Si bien esta aplicación de energía solar tardará algún tiempo en desarrollarse, los científicos dicen que han dado un primer paso importante en este nuevo proceso de manipulación de la óptica de ondas a nanoescala.
Durante más de un siglo, los recubrimientos ópticos se han utilizado para hacer dos cosas: reflejar ciertas longitudes de onda de luz de lentes y otros dispositivos o transmitirlas permitiendo que esas longitudes de onda pasen.
Pero los investigadores dijeron que no se había desarrollado ningún recubrimiento óptico que pudiera reflejar y transmitir simultáneamente la misma longitud de onda o color, hasta ahora. Strangi y sus colaboradores crearon un recubrimiento hecho de una película de germanio de 15 nanómetros de espesor (similar al silicio o al estaño), que puede hacer ambas cosas con una claridad excepcional.
Es un avance en los recubrimientos ópticos que tanto Strangi como Guo dijeron que podría conducir fácilmente a otras aplicaciones. “Esto es importante porque abre una amplia gama de posibilidades”, dijo Strangi. "Hemos hecho algo que no se ha hecho en un siglo de desarrollo de recubrimientos ópticos, e incluso no conocemos todas las aplicaciones que podrían surgir de esto".
Los investigadores llaman a esta nueva clase de recubrimientos Fano Resonance Optical Coatings (FROC) en un guiño a Ugo Fano, un físico estadounidense nacido en Italia que trabajó con Enrico Fermi, conocido como el "arquitecto de la era nuclear".
Las resonancias formadas, esencialmente, un fenómeno en el que se superponen dos ondas de luz, son la base detrás del transporte de ondas de luz y detrás del desarrollo de esta nueva clase de recubrimientos ópticos.
Fue Fano quien se dio cuenta de que algunas resonancias de formas inusuales estaban presentes en algunos datos experimentales en el laboratorio de Fermi. “El interés en aprovechar las resonancias Fano en sistemas ópticos aumentó recientemente, ya que pueden usarse para detección, espectroscopía e imágenes”, dijo Strangi. “Nuestro trabajo avanza esas posibilidades en estas áreas así como en la aplicación fotovoltaica”.
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