Convirtiendo la Energía Térmica en Electricidad

Con la adición de sensores y herramientas de comunicación mejoradas, proporcionar energía portátil y liviana se ha vuelto más desafiante. Ahora, los investigadores han demostrado un nuevo enfoque para convertir la energía térmica en electricidad que podría proporcionar energía compacta y eficiente para los soldados en futuros campos de batalla.

Los objetos calientes irradian luz en forma de fotones a su entorno. Los fotones emitidos pueden ser capturados por una celda fotovoltaica y convertidos en energía eléctrica útil. Este enfoque de la conversión de energía se denomina termofotovoltaica de campo lejano (FF-TPV) y ha estado en desarrollo durante muchos años; sin embargo, sufre de baja densidad de potencia y, por lo tanto, requiere altas temperaturas de funcionamiento del emisor.

En el nuevo enfoque, la separación entre el emisor y la celda fotovoltaica se reduce a la nanoescala, lo que permite una salida de energía mucho mayor que la que es posible con los FF-TPV para la misma temperatura del emisor. Permite la captura de energía que, de lo contrario, queda atrapada en el campo cercano del emisor, denominada termofotovoltaica de campo cercano (NF-TPV), y utiliza celdas fotovoltaicas y diseños de emisores personalizados para condiciones de funcionamiento de campo cercano.

La técnica exhibió una densidad de potencia casi un orden de magnitud más alta que la de los sistemas TPV de campo cercano mejor informados, mientras que también operaba con una eficiencia seis veces mayor, allanando el camino para futuras aplicaciones TPV de campo cercano. En el futuro, los TPV de campo cercano podrían servir como fuentes de energía más compactas y de mayor eficiencia para los soldados, ya que estos dispositivos pueden funcionar a temperaturas de funcionamiento más bajas que los TPV convencionales.

La eficiencia de un dispositivo TPV se caracteriza por la cantidad de transferencia de energía total entre el emisor y la celda fotovoltaica que se utiliza para excitar los pares electrón-hueco en la celda fotovoltaica. Si bien el aumento de la temperatura del emisor aumenta la cantidad de fotones por encima de la banda prohibida de la celda, la cantidad de fotones de sub-banda prohibida que pueden calentar la celda fotovoltaica debe minimizarse.

Esto se logró mediante la fabricación de células TPV de película delgada con superficies ultraplanas y un reflector trasero de metal. Los fotones por encima de la banda prohibida de la celda se absorben eficientemente en el semiconductor de un micrómetro de espesor, mientras que los que están por debajo de la banda prohibida se reflejan de vuelta al emisor de silicio y se reciclan.

Los investigadores cultivaron células fotovoltaicas de arseniuro de indio y galio de película delgada en sustratos semiconductores gruesos y luego despegaron la región activa semiconductora muy delgada de la célula y la transfirieron a un sustrato de silicio. Los investigadores también realizaron cálculos teóricos para estimar el rendimiento de la celda fotovoltaica a cada temperatura y tamaño de espacio y mostraron una buena concordancia entre los experimentos y las predicciones computacionales.