Aprovechamiento del Calor: Tecnología Innovadora Convierte Energía Térmica en Energía Portátil para Uso en Campo de Batalla

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

Los objetos calientes irradian luz en forma de fotones en su entorno. Los fotones emitidos pueden ser capturados por una célula fotovoltaica y convertidos en energía eléctrica útil. Este enfoque de conversión de energía se llama 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 operación del emisor.

En el nuevo enfoque, la separación entre el emisor y la célula fotovoltaica se reduce a la nanoescala, permitiendo una salida de potencia mucho mayor que la posible con FF-TPV para la misma temperatura del emisor. Permite la captura de energía que de otro modo queda atrapada en el campo cercano del emisor —llamada termofotovoltaica de campo cercano (NF-TPV)— y usa células fotovoltaicas y diseños de emisor personalizados para condiciones de operación de campo cercano.

La técnica exhibió una densidad de potencia casi un orden de magnitud mayor que la de los mejores sistemas NF-TPV reportados, mientras operaba a seis veces mayor eficiencia, allanando el camino para futuras aplicaciones NF-TPV. En el futuro, los NF-TPV podrían servir como fuentes de energía más compactas y de mayor eficiencia para soldados, ya que estos dispositivos pueden funcionar a temperaturas de operación más bajas que los TPV convencionales.

La eficiencia de un dispositivo TPV se caracteriza por cuánta de la transferencia total de energía entre el emisor y la célula fotovoltaica se usa para excitar pares electrón-hueco en la célula fotovoltaica. Mientras que aumentar la temperatura del emisor aumenta el número de fotones por encima de la banda prohibida de la célula, el número de fotones sub-banda prohibida que pueden calentar la célula fotovoltaica debe minimizarse.

Esto se logró fabricando células TPV de película delgada con superficies ultra-planas y un reflector metálico posterior. Los fotones por encima de la banda prohibida de la célula se absorben eficientemente en el semiconductor de espesor micrónico, mientras que los por debajo de la banda prohibida se reflejan de vuelta al emisor de silicio y se reciclan.

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