Investigadores del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar ISE demostraron cómo pueden lograr una eficiencia fotovoltaica récord del 68,9% con una celda de potencia láser bajo luz monocromática. Para ello, el equipo de investigación utilizó una célula solar muy delgada hecha de arseniuro de galio, a la que proporcionaron un espejo retrovisor conductor altamente reflectante.

Las células fotovoltaicas convierten la luz en electricidad. Para ello, la luz se absorbe en una estructura semiconductora, por ejemplo hecha de arseniuro de galio, y las cargas positivas y negativas resultantes se conducen a dos contactos en la parte frontal y posterior de la celda. Este efecto fotovoltaico es particularmente eficaz cuando la energía de la luz incidente está justo por encima de la denominada energía de banda prohibida del material. Si se utiliza un láser como fuente de luz, esto siempre se puede lograr con un material adecuado y, en teoría, son posibles niveles muy altos de eficiencia.

Para esta nueva forma de transmisión de energía, también conocida como tecnología power-by-light, surgen cada vez más aplicaciones en las que el rayo láser se guía libremente a través de la habitación o se acopla a una fibra de vidrio. Al final siempre hay una celda fotovoltaica que se adapta específicamente a la potencia y longitud de onda del láser.

Estos sistemas de alimentación por luz ofrecen ventajas sobre la transmisión de energía convencional con cables de cobre, por ejemplo, cuando la aplicación requiere un suministro de energía separado galvánicamente, los aspectos de protección contra rayos o explosiones son relevantes, la compatibilidad electromagnética juega un papel o la transmisión de energía es completamente inalámbrica.

Los investigadores de Fraunhofer ISE ahora han logrado utilizar una celda fotovoltaica III-V basada en arseniuro de galio para demostrar una eficiencia del 68,9% para la luz láser con una longitud de onda de 858 nm por primera vez. Este es el valor más alto jamás logrado para la conversión de luz en electricidad.

Esto fue posible gracias a una tecnología especial de película delgada en la que las capas de células solares se cultivan primero en un sustrato hecho de arseniuro de galio, que luego se elimina del componente. Lo que queda es la estructura semiconductora, de unos pocos micrómetros de espesor, que luego está provista de un espejo retrovisor altamente reflectante.

«Esto le da a la célula dos ventajas», explica Henning Helmers, jefe del equipo de investigación de Fraunhofer ISE. “En primer lugar, los fotones quedan atrapados en la celda y se maximiza la absorción de las energías de los fotones cerca de la banda prohibida, de modo que las pérdidas por termización y transmisión se minimizan al mismo tiempo. En segundo lugar, los nuevos fotones generados por recombinación radiante en el absorbedor son capturados y utilizados por el espejo en el absorbedor. De esta manera, el voltaje también se incrementa al extender la vida útil del portador de carga efectivo».

El grupo de investigación examinó celdas de película delgada con espejos retrovisores hechos de oro y una combinación ópticamente ventajosa de cerámica y plata, obteniendo esta última los mejores resultados. Se desarrolló una heteroestructura de n-GaAs / p-AlGaAs para el absorbedor, que logra una pérdida particularmente baja de portadores de carga mediante 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», dice el director del instituto, Andreas Bett. Ejemplos de las diversas aplicaciones de la transmisión de potencia óptica son la monitorización de estructuras de aerogeneradores, la monitorización de líneas de alta tensión, sensores de combustible en tanques de aviones o el suministro óptico de implantes desde el exterior del cuerpo, la monitorización de redes ópticas pasivas, o la suministro de energía inalámbrica para aplicaciones en Internet de las cosas.

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