Nanomateriales y nanoestructuras para la energía fotovoltaica espacial


nano1El uso de la energía fotovoltaica ha sido instrumental en la exploración humana y el desarrollo del espacio. Para continuar cumpliendo con los requisitos de energía fotovoltaica en el espacio será necesario para avanzar hacia el diseño de dispositivos y sistemas con  innovacion en nuevos materiales. Con el fin de mejorar la eficiencia del dispositivo, mientras se reduce el peso y se mantiene la integridad estructural, se propone un enfoque de próxima generación para el diseño de dispositivos que incluyan el uso de materiales nanoestructurados en las células fotovoltaicas. En el corto plazo, este enfoque nos permitirá mejorar lo que son actualmente las mejores células solares del espacio disponible en términos de su eficiencia y propiedades de los materiales importantes para su utilización en el espacio. En el futuro, el uso de nanomateriales nos permitirá desarrollar matrices solares viables de película fina para el espacio y en última instancia, hacer que estas matrices de peso ligero, flexible, y a base de polímeros de materiales.

El avance en un enfoque de los nanomateriales en los centros de desarrollo de dispositivos semiconductores de todo el hecho de que las propiedades eléctricas, ópticas, térmicas de estos materiales se pueden controlar cambiando el tamaño de las partículas. Un innovador estudio teórico de A. Luque y Martí A. predijo que una célula fotovoltaica con una sola banda intermedia electrónica creada por una capa de cristales semiconductores de tamaño nanométrico (quantum dots) que se inserta en la i una región común de la unión de los pines en células solares  ofrece una eficiencia de conversión del 63, 2%. Un nuevo estudio realizado recientemente se ha extendido la teoría de dos bandas intermedias y se calcula una eficiencia de 71.7%. Esto es aproximadamente un factor de dos mejor que las células SOA solar espacial.

nano2Esta eficiencia es teóricamente similar a la de 36 de unión multi-banda prohibida de células, (por supuesto, haciendo caso omiso de las dificultades experimentadas en el diseño de una célula real multi-unión de la red y de coincidencia actual). Además de la mejora de la eficiencia, varios dispositivos de pozo cuántico fotovoltaico han demostrado recientemente tolerancia a la radiación mejorada y coeficientes de temperatura como resultado de su nanoestructura incrustada. Finalmente, los puntos cuánticos y otros nanomateriales también han sido recientemente demostrado proporcionar una mejoría dramática en el rendimiento de la energía fotovoltaica de película delgada e híbridos de polímeros conductores inorgánicos/orgánicos basados en células solares. Hay dos tipos de nano-ingeniería de los dispositivos como se muestran en esta página.

Metas y Objetivos

Nuestro enfoque técnico aprovecha muchos años de investigación de la NASA en el desarrollo de nanomateriales y más de una década de experiencia en el crecimiento de las células multiunión. Los nanomateriales y nanoestructuras fotovoltaicas para el proyecto espacial aprovecha un equipo diverso de investigadores de alto nivel en la fotovoltaica y la Rama de Ambientes Espaciales en el Centro de Investigación Glenn, JPL, RIT, Penn State, y la Universidad de Houston, con experiencia en multiunión y el crecimiento de células de silicio amorfo, la síntesis de nanomateriales y el desarrollo de dispositivos fotovoltaicos.

Nuestro objetivo de investigación es desarrollar nuevos materiales de puntos cuánticos y estructuras de conversión de energía que ofrecen la posibilidad de avances radicales en la capacidad de reducir el espacio en la generación de energía permitiendo hasta 2 veces más de eficiencia y / o hasta 5 veces mayor potencia específica (es decir, la energía por unidad de masa) , mejor tolerancia a la radiación y el comportamiento térmico del espacio y un más bajo costo total en última instancia, para arreglos de espacio solar en el futuro. Vamos a lograr estos objetivos:

  • La identificación de los nanomateriales adecuados (el juego bandas prohibidas, afinidades electrónicas, y la compatibilidad de los diversos materiales fotovoltaicos a las propiedades deseadas),
  • Selección de una estructura compatible acorde con la capacidad de fabricar los nanomateriales (es decir, la síntesis coloidal, la ablación por láser, o el crecimiento Stranski-Krastanow),
  • La incorporación de nanomateriales en una estructura de equipo completo,
  • La caracterización de la estructura celular de utilización prevista del espacio H & RT y el diseño modular.

Vamos a investigar tres sistemas de materiales para mejorar la investigación actual para producir mejoras a largo plazo en la SOA. Resultados y lecciones aprendidas serán aplicadas a los sistemas actualmente en los niveles inferiores TRL con el objetivo de desarrollar estos sistemas en los dispositivos de trabajo en los próximos 6-8 años. Los tres sistemas son:

  • Crecimiento epitaxial III-V nanoestructuras (puntos cuánticos y los hilos cuánticos) que se introducen en las células multiunión SOA solar espacial,
  • Película fina de células solares de silicio amorfo con silicio o puntos cuánticos calcopirita, y
  • De película delgada y flexible que incorpora células solares poliméricas puntos cuánticos y/o nanotubos de carbono.

En los próximos cuatro años, nos centraremos en el uso de crecimiento epitaxial III-V nanoestructuras (hilos cuánticos (QWs), y los puntos cuánticos (puntos cuánticos)) para mejorar el rendimiento de las actuales células solares espaciales SOA. El uso de estos nanomateriales permitirán propiedades de bandgap ingeniero de otro dispositivo, como los coeficientes de temperatura, tolerancia a la radiación, y la respuesta espectral. Ya no vamos a estar limitados a las propiedades de los materiales rígidos impuestos por el enfoque de red correspondiente a granel de materiales semiconductores.

Además, este enfoque es inherentemente portátil a las metodologías actuales de producción asociados a SOA células solares espaciales. Una simple variación en los parámetros de procesamiento, permitirá la producción de células que pueden ser optimizados para ver de cerca a la Tierra, la Luna, Marte, o incluso las aplicaciones más exóticas, como la fabricación de dispositivos robóticos foto voltaicos utilizando in-situ los recursos planetarios.

A pesar de los beneficios a corto plazo que se puede lograr mediante el uso de nanoestructuras en III-V de tecnología son notables, todavía queda la masa y la restricción mecánica impuesta a una tecnología cristalina. Extender el uso de nanoestructuras y nanomateriales a los dispositivos de película delgada es la extensión lógica del trabajo que aquí se propone: dispositivos de película delgada son extremadamente ligeros y flexibles, con una potencia específica de masa del orden de 5 veces mayor que la tecnología cristalina.

Ahorro de la masa y costo de los materiales son un objetivo muy deseable en la próxima generación de células solares. Cada tipo de célula tiene aplicaciones en múltiples áreas de H & RT: área de baja, alta eficiencia, baja temperatura y resistente a la radiación III-V células para la exploración robótica y los sistemas de comunicación por satélite, las células una mayor área, la radiación de silicio resistente, de bajo costo amorfo o polímero de planetario o lunar de energía superficial o aplicaciones interplanetario y el poder radiante.

Fuente: NASA

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