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Datos energéticos interesantes: enorme mejora de la energía solar

La energía solar no es solo la fuente de energía más popular en el mundo, también es la fuente de energía más abundante de todas. Aún así, la energía solar todavía está muy por detrás de los combustibles fósiles en términos de consumo de energía primaria, principalmente debido a su falta de rentabilidad en comparación con las fuentes de energía tradicionales (carbón, petróleo, hidro y gas natural).

Una de las últimas tecnologías prometedoras proviene del profesor de ingeniería de la Universidad de Connecticut Brian Willis. Las primeras pruebas han demostrado el excelente potencial y esta tecnología parece tener todo lo que se necesita para mejorar enormemente los sistemas de energía solar actuales.

Los principios básicos de esta tecnología que se basan en matrices de antenas nano-tamaño increíblemente pequeñas que en teoría son capaces de capturar más del 70 por ciento de la radiación electromagnética del sol y convertirla simultáneamente en energía eléctrica utilizable mejorando la eficiencia de las células solares actualmente en uso .

Con la tecnología actual, incluso los paneles de silicio más efectivos no son capaces de recolectar más del 20 por ciento de la radiación solar disponible, sin mencionar que los mecanismos separados son necesarios para convertir la energía almacenada en electricidad utilizable para la red eléctrica comercial. Esta gran eficiencia y costos de desarrollo bastante costosos son los dos principales obstáculos para la adopción generalizada de la energía solar como un reemplazo práctico de los combustibles fósiles tradicionales.

Teóricamente prometedor no es nada para la producción comercial y los científicos han carecido de la tecnología necesaria para construir y probar porque el proceso de fabricación es extremadamente desafiante. Las nano-antenas, debido a su capacidad para absorber y rectificar la energía solar de la corriente alterna a la corriente continua, deben ser capaces de operar a la velocidad de la luz visible y construirse de manera tal que sus pares de electrodos sean simples 1 o 2 nanómetros separados, que es aproximadamente 30,000 veces más pequeño que el diámetro del cabello humano.

Ilustración de una antena rectificadora óptica de tamaño nanométrico o rectenna (fuente).

Sin embargo, la posible solución para el problema de fabricación puede encontrarse en el área selectiva de deposición de capa atómica (ALD) desarrollada por Willis. El Profesor Willis desarrolló el proceso ALD mientras enseñaba en la Universidad de Delaware, y patentó la técnica en 2011.

Como explicó, es a través de la deposición de la capa atómica que los científicos finalmente pueden fabricar un dispositivo de nano antena en funcionamiento. En una nano-antena, uno de los dos electrodos interiores debe tener una punta afilada, similar al punto de un triángulo. El truco aquí es colocar la punta de ese electrodo dentro de uno o dos nanómetros del electrodo opuesto, que es algo similar a sostener la punta de una aguja en el plano de una pared. Antes de que el ALD entrara en escena, las técnicas de fabricación litográfica existentes no podían crear un espacio tan pequeño dentro de un diodo eléctrico en funcionamiento. Incluso cuando se usan equipos electrónicos sofisticados, como los cañones de electrones, los científicos más cercanos que pudieron obtener fueron aproximadamente 10 veces la separación requerida. Sin embargo, a través de ALD, Willis pudo recubrir con precisión la punta de la nano antena con capas de átomos de cobre individuales hasta lograr un espacio de aproximadamente 1,5 nanómetros. El proceso es autolimitado y se detiene a una separación de 1.5 nanómetros.

El tamaño de la brecha es de vital importancia porque crea una unión túnel ultrarrápida entre los dos electrodos de la nano antena, lo que permite una transferencia máxima de electricidad. Esta brecha también da electrones energizados en la nano-antena justo el tiempo suficiente para hacer un túnel al electrodo opuesto antes de que su corriente eléctrica se invierta y ellos intenten regresar. La punta triangular de la antena nano evita que los electrones inviertan la dirección, capturando así la energía y rectificándola en una corriente unidireccional.

Estas nano-antenas, debido a sus diodos de túnel increíblemente pequeños y rápidos, son capaces de convertir la radiación solar en la región infrarroja a través de las extremadamente rápidas y cortas longitudes de onda de la luz visible, algo que nunca se había logrado antes. Los paneles solares actuales basados ​​en silicio tienen un espacio de banda único que permite que el panel convierta la radiación electromagnética de manera eficiente en una pequeña porción del espectro solar a diferencia de las nano-antenas que pueden capturar luz en todo el espectro solar, creando la máxima eficiencia .

Antes del advenimiento de la deposición selectiva de capas atómicas (ALD), no ha sido posible fabricar matrices de nanoavenas prácticas y reproducibles que puedan aprovechar la energía solar desde el infrarrojo a través de lo visible y ALD es lo que hace posible la creación de estos dispositivos. El proceso de deposición de la capa atómica es favorecido por la ciencia y la industria porque es simple, fácilmente reproducible y escalable para la producción en masa. El método que se utiliza para fabricar nano-antenas también se puede usar en termoelectrónica, sensores e imágenes por infrarrojos y sensores químicos.

Willis ya ha fabricado el dispositivo prototipo y, como dice, “ahora estamos buscando formas de modificar la antena nano para que sintonice mejor las frecuencias”. La pregunta de si estos dispositivos realmente funcionan con este alto nivel de eficiencia todavía no se ha resuelto. respondió “Teóricamente, esto es posible, pero más pruebas en la práctica nos contarán el resto de la historia.

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