Termofotovoltaico

Los termofotovoltaicos son una clase de sistemas energéticos que se usan para convertir la energía térmica en energía eléctrica. Están formados por, al menos, un emisor y un conversor de energía fotovoltaica. Sin embargo, la mayoría de los sistemas termofotovoltaicos también incluyen componentes adicionales como concentradores, filtros y reflectores. El principio básico de operación es similar al de los fotovoltaicos (PV en inglés) tradicionales donde unión P-N se usa para absorber energía óptica, generar y separar electrones/ hueco de electrones, y al hacerlo convertir esa energía en potencia eléctrica. La diferencia es que la energía óptica no es generada directamente por el sol, sino por un material a alta temperatura (calentado el emisor), que causa la emisión de luz. De esta manera, la energía térmica se convierte en energía eléctrica. Se puede calentar el emisor por luz solar o por combustión. En este sentido, los termofotovoltaicos proporcionan una gran versatilidad en combustibles. En el caso de termofotovolaicos solares, se necesitan concentradores extremadamente grandes para operaciones eficientes. Se pueden conseguir grandes mejoras en este concepto básico aprovechando los filtros o emisores selectivos para crear emisiones en un radio de longitud de onda reducido que es optimizado por el conversor fotovoltaico (PV) específico usado en el sistema. De esta manera, los termofotovoltaicos pueden superar una dificultad de los fotovoltaicos tradicionales, haciendo un uso eficiente del espectro solar completo. Para los emisores de cuerpo negro, los fotones con menos energía que la banda prohibida del conversor no pueden ser absorbidos para generar electrones/parejas de agujeros y son reflejados y se pierden o atraviesan la célula. Los fotones con energía superior a la banda prohibida pueden ser absorbidos, pero el exceso de energía, ${\displaystyle \Delta G=E_{photon}-E_{g}}$ , se vuelve a perder, generando calor no deseado en la célula. En el caso de los termofotovoltaicos, puede haber casos similares, pero el uso de emisores selectivos (la emisividad por encima de una estrecha longitud de onda), o filtros ópticos que pasan solo una gama de longitud de onda y reflecta todas las demás, se puede usar para generar un espectro de emisión atómica gracias al conversor fotovoltaico. De esta manera, estos fotones no se pierden o se usan ineficazmente pues se aumenta de forma drástica la eficacia global del sistema. En el caso de los filtros reflectantes, el emisor debe ser capaz de absorber toda esta gama para usar eficazmente los fotones no convertidos. Para lograr el rendimiento máximo, se deben convertir todos los fotones. Un proceso calificado como reciclaje de fotones se puede utilizar para lograrlo. Aquí los reflectores se colocan detrás del conversor y en cualquier sitio del sistema a donde los fotones no se puedan dirigir eficientemente hasta el colector. Estos fotones se devuelven al concentrador donde se pueden convertir, o al emisor donde se pueden reabsorber para generar calor y fotones adicionales. Un sistema termofotovoltaico ideal utilizaría fotones reciclados y una emisión selectiva para usar todo los fotones y permitir su óptima conversión.

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Para comprender el beneficio total de los sistemas termofotovoltaicos, es útil una discusión sobre los principios de eficiencia en los termofotovoltaicos. El límite absoluto para la eficiencia en los termofotovoltaicos (y todos los sistemas que convierten la energía térmica en trabajo) es la eficiencia Carnot, la de un motor térmico ideal. Esta eficiencia se obtiene por:

${\displaystyle \eta =1-{\frac {T_{cell}}{T_{emit}}}}$

donde T_célula es la temperatura del conversor fotovoltaico. Para obtener los mejores valores razonables en un sistema práctico, T_célula~300K and T_emisión~1800, obteniendo un rendimiento máximo del 83%. Este límite establece el límite superior para la eficiencia del sistema. Con el 83% de eficiencia, toda la energía térmica se convierte en radiación por el emisor, que gracias a los fotovoltaicos se convierte luego en energía eléctrica sin pérdidas, como termalización o pérdidas óhmicas. En la máxima eficacia, también asumen que no hay variación de entropía, que solo es posible si el emisor y la célula están a la misma temperatura. Aun así, como un límite superior, es útil. Debido a la complejidad de los sistemas de termofotovoltaicos y las muchas fuentes de ineficiencia, los modelos más precisos para la eficiencia se vuelven muy complejos, pero una discusión sobre las diversas fuentes de ineficiencia que provocan que los sistemas reales estén muy por debajo de este límite merece la pena.

Para el emisor, las desviaciones de la perfecta absorción de plomo y el perfecto comportamiento de cuerpo negro provocan pérdidas de luz. Para el caso de los emisores selectivos, cualquier luz emitida en longitudes de onda que no corresponda a la energía de banda prohibida del fotovoltaico no se puede convertir con eficiencia (por razones ya discutidas arriba) y acaba reduciendo el rendimiento. En particular, las emisiones asociadas a resonancias son difíciles de evitar por la longitud de onda de los infrarrojos lejanos, que son se pueden convertir. Lo ideal: un emisor no emitirá en este radio, y la energía se convertirá solo en longitudes de onda que sean fácilmente convertibles.

Para emisores de cuerpo negro o emisores selectivos imperfectos los filtros son necesarios para reflejar longitudes de onda no ideales de vuelta al emisor. En la práctica, estos filtros son raramente perfectos. Toda luz que se absorbe o dispersa y no se redirige al emisor o el convertidor se pierde. Además, los filtros prácticos a menudo reflejan un pequeño porcentaje de la luz en la longitud de onda deseada o transmite la luz de longitudes de onda no ideal. Ambos pueden provocar ineficiencias.

Incluso para sistemas donde solo la luz de longitudes de onda se pasa al conversor, existen ineficacias relacionadas con recombinaciones no radiactivas y pérdidas óhmicas. Puesto que estas pérdidas pueden depender de la intensidad de la incidencia de la luz en la célula, los sistemas reales deben considerar la intensidad producida por una serie de condiciones (el material del emisor, filtro, temperatura de funcionamiento).

En un sistema ideal, el emisor estaría rodeado de conversores fotovoltaicos por lo que no se perdería luz. Sin embargo, en realidad, la geometría debe acomodarse a la energía de entrada (inyección de combustible o luz de entrada) usada para calentar el emisor. Además, los altos costos prohíben la colocación de los transformadores en todas partes. Cuando el emisor remite la luz, lo que no llegue al conversor se pierde. Se pueden utilizar espejos para redirigir parte de esta luz hacia el emisor, sin embargo, los espejos pueden tener sus propias pérdidas.

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Para entender algunas de las exigencias prácticas de los componentes de termofotovoltaicos reales, es útil mirar algunos números básicos. Hablaremos de los emisores de cuerpo negro donde se logra la recirculación de fotones gracias a los filtros. Sin embargo, se pueden aplicar conceptos similares a los emisores de emisión selectiva. La ley de Planck establece que un cuerpo negro emitirá luz con un espectro dado por:

${\displaystyle I'(\lambda ,T)={\frac {2hc^{2}}{\lambda ^{5}}}{\frac {1}{e^{\frac {hc}{\lambda kT}}-1}}}$

donde I' es el flujo de la luz de una determinada longitud de onda, λ, expresadas en unidades de 1/m³/s. Aquí, h es la constant de Planck, k is la constant de Boltzmann, c es la velocidad de la luz, y T_emit es la temperatura del emisor. Por tanto, el flujo de la luz con longitud de onda de un determinado radio puede encontrarse por encima del límite. La longitud de onda del pico está determinada por la temperatura, T_emit, que se basa en la Ley de Wien:

${\displaystyle \lambda _{\mathrm {max|urlarchivo=http://web.archive.org/web/http://vri.etec.wwu.edu/pdf\%20files/v29paper.pdf|fechaarchivo=25denoviembrede2015} }={\frac {b}{T}}}$

donde b es la constant del desplazamiento de Wien. Para la mayor parte de los materiales, la temperatura máxima a la que puede operar un emisor es de unos 1800 °C. Esto corresponde a una intensidad que alcanza el máximo en λ a unos 1600 nm o una energía de unos 0,75 eV. En unas temperaturas más razonables de 1200 °C, esto se reduce a unos 0,5 eV. Estas energías dictan el radio de banda prohibida necesario para conversores termofotovoltaicos prácticos (aunque el máximo de la energía espectral es algo mayor). Los materiales fotovoltaicos tradicionales como Si (1,1 eV) y GaAs (1,4 eV) son substancialmente menos prácticas para los sistemas termofotovoltaicos, puesto que la intensidad del espectro de un cuerpo negro es demasiado baja en esas energías para los emisores de temperaturas realistas.

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La eficacia, la resistencia térmica y el coste son los tres factores principales a la hora de elegir el radiador para los termofotovoltaicos. La eficacia se determina por la energía absorbida en relación con la energía que entra. La capacidad de funcionar a altas temperaturas es un factor crucial porque la eficacia aumenta con temperatura. A medida que aumenta la temperatura del emisor, la radiación del cuerpo negro cambia longitudes de onda más cortas, lo que permite una absorción más eficiente por las células fotovoltaicas. Por último, el coste es una limitación importante en la comercialización de los termofotovoltaicos.

El carburo de silicio (SiC) policristalino es el emisor más común para el quemador termofotovoltaico. El SiC tiene estabilidad térmica hasta aproximadamente los 1700 °C. Sin embargo, el SiC irradia demasiada energía en longitud de onda larga, energía que está por debajo de la banda fotovoltaica más estrecha. Esta radiación, por su parte, no se convierte en energía eléctrica. Sin embargo, los filtros selectivos no absorbentes en frente del fotovoltaico,^[3] o los espejos colocados en la parte posterior del fotovoltaico^[4] se pueden usar para reflejar las longitudes de onda larga de vuelta al emisor, reciclando de esa manera la energía no convertida. Además, la fabricación del SiC policristalino es realmente barata, por lo que es una buena elección para aplicaciones comerciales.

Metales refractarios suelen usarse como emisores selectivos para el quemador termofotovoltaico. El tungsteno es la elección más común. El tungsteno tiene una emisividad más alta en el radio infrarrojo cercano y visible, de 0.45 a 0.47, y una emisividad mínima de 0,1 a 0,2 en región infrarroja.^[5] El emisor tiene normalmente forma cilíndrica con la parte inferior sellada, que se puede considerar una cavidad. El emisor está unido a la parte posterior de un absorbente térmico como carburo de silicio y mantiene la misma temperatura. La emisión tiene lugar radio infrarrojo cercano y visible que puede ser fácilmente convertido por fotovoltaicos en energía eléctrica.

Los óxidos de tierras raras como el óxido de iterbio (Yb₂O₃) y el óxido de erbio (Er₂O₃) son los más usados como emisores selectivo para los termofotovoltaicos. Estos óxidos emiten una estrecha banda de longitudes de onda en las regiones del infrarrojo cercano, lo que permite la adaptación de los espectros de emisión para ajustarse mejor a las características absorbencia de una célula fotovoltaica particular. La máxima del espectro de emisión se produce en 1,29eV de Yb₂O₃ y 0,827eV de Er₂O₃. Como resultado, Yb₂O₃ se puede usar células fotovoltaicas de silicio y Er₂O₃, para GaSb o InGaAs. Sin embargo, el mínimo desajuste entre la máxima y la banda prohibida de la absorción da lugar a una pérdida de eficacia. Además, la emisión selectiva solo se vuelve significativa a los 1100 °C y aumenta con la temperatura, según la ley de Planck. A temperaturas de funcionamiento razonables (por debajo de los 1700 °C), las emisiones selectivas de óxidos de tierras raras es bastante bajo, lo que da lugar a una disminución de la eficacia. En la actualidad, solo se ha alcanzado el 13% de eficiencia con Yb₂O₃ células fotovoltaicas de silicio. En general, los emisores selectivos tienen un éxito limitado. Más a menudo filtros espectrales de control se utilizan con emisores de cuerpo negro para pasar las longitudes de onda que coinciden con la banda prohibida del fotovoltaico y reflejar las longitudes de onda que no coinciden de nuevo al emisor.

Un cristal fotónico es un tipo de material periódico nuevo que permite el control preciso de las propiedades de las ondas electromagnéticas. Estos materiales dan lugar a la banda prohibida fotónica (PBG en inglés). En el radio espectral de esta banda, las ondas electromagnéticas no se pueden propagar. El funcionamiento de estos materiales permite adaptar el emisor y las propiedades de absorción, lo que proporciona un diseño de emisores selectivos más efectivo. Estos emisores con máximas a más altas temperaturas que en las de los cuerpos negros (para temperaturas termofotovoltaicas prácticas) admiten conversores con una banda más ancha. Estos conversores son tradicionalmente más baratos de fabricar y menos sensible a la temperatura. Recientemente, los investigadores en el Laboratorio Nacional de Sandia han demostrado una alta eficacia (el 34% de la luz emitida desde un emisor selectivo PBG fue convertido en electricidad) en un sistema termofotovoltaico usando cristales fotónicos de tungsteno.^[6] Sin embargo, fabricar estos aparatos es difícil y no es possible comprarlos.

Las investigaciones anteriores en TPV se centraban en el empleo de células fotovoltaicas de silicio. Su disponibilidad comercial, su coste extremadamente bajo, su escalabilidad y fácil fabricación hacen de este material un candidato muy atractivo. Sin embargo, la banda prohibida relativamente ancha del Si (1.1 eV) no es la adecuada para su uso con un emisor de cuerpo negro que funcione con bajas temperaturas. Cálculos basados en la ley de Planck, que describe el espectro del cuerpo negro en función de la temperatura, indican que las células fotovoltaicas de silicio (Si PV) solo serían factibles a temperaturas muy superiores a los 2000 K. Se ha demostrado que ningún emisor puede funcionar a estas temperaturas. Estas dificultades de ingeniería han llevado a la búsqueda de semiconductores fotovoltaicos con una banda prohibida más baja para la conversión del espectro del cuerpo negro.

Sin embargo, el empleo de radiadores selectivos con Si PV todavía es una posibilidad. Los radiadores selectivos eliminarían los fotones de energía alta y baja, reduciendo así el calor generado. De manera ideal, los radiadores selectivos no emitirían radiación por encima y por debajo del límite de banda del convertidor fotovoltaico (PV), aumentando de manera significativa el rendimiento de la conversión. En cualquier caso, hoy en día los emisores selectivos están lejos de ser perfectos. Por lo tanto, no se han desarrollado TPV con un buen rendimiento utilizando una Si PV.

Las primeras investigaciones en semiconductores con banda prohibida baja se centraron en el germanio (Ge). El germanio tiene una banda prohibida de 0.66 eV, permitiendo que se transforme un porcentaje mucho mayor de radiación. Sin embargo, se ha observado un bajo rendimiento debido a que la masa efectiva del electrón es extremadamente alta. En comparación con los semiconductores III-V, una masa efectiva del electrón elevada conlleva una alta densidad de estados en la banda de conducción y, por lo tanto, a una densidad intrínseca de portadores alta. Por consiguiente, los diodos de germanio tienen corrientes oscuras que se desintegran rápidamente y, por lo tanto, un bajo voltaje en circuito abierto. Además, la pasivación de superficie del germanio es muy complicada. Por estos dos motivos, el germanio es un candidato poco probable para su uso en TPV.

La célula PV de antimoniuro de galio (GaSb), inventada en 1989, es la base de la mayoría de células PV en los sistemas TPV modernos. El GaSb es un semiconductor III-V con una estructura de cristal cinc-blenda. La célula GaSb ha supuesto un desarrollo clave en el área de TPV debido a su banda prohibida estrecha de 0.72 eV. Esta circunstancia permite que el GaSb responda a la luz con longitudes de onda más largas que la célula solar de silicio convencional, posibilitando así densidades de energía más altas cuando se emplee junto a fuentes de emisión fabricadas por el hombre. Los inventores de Boeing, en 1989, hicieron una demostración de una célula solar con un rendimiento del 35% utilizando una PV de dos capas con GaAs y GaSb, estableciendo el récord mundial de rendimiento para una célula solar.

El proceso de fabricación de la célula GaSb PV es bastante sencillo. Las láminas Czochralski tipo-n con incrustaciones de telurio están disponibles en el mercado. La difusión con base de cinc (Zn) en vapor se lleva a cabo a temperaturas elevadas, de unos 450 °C, para que se pueda poner el barniz tipo-p. En último lugar, los contactos eléctricos frontales y traseros se basan en el uso de técnicas de fotolitografía tradicionales; también se pone un revestimiento antirreflectante. Se estima que el rendimiento de la corriente es de un 20% utilizando un espectro de cuerpo negro a 1000 °C. El límite de la radiación para la célula de GaSb en este sistema es del 52%, así que todavía se puede mejorar bastante.

El antimoniuro arseniuro de galio y de indio (InGaAsSb) es un semiconductor compuesto III-V. La adición de GaAs permite una banda prohibida más estrecha (de 0.5 a 0.6 eV) y, por lo tanto, una mejor absorción de longitudes de onda largas. De manera más específica, la banda prohibida se ha diseñado para 0.55 eV. Con esta banda prohibida, el compuesto alcanza una media ponderada de fotones con eficiencia cuántica interna del 79%, con un factor de relleno del 65% para un cuerpo negro a 1100 °C. Lo anteriormente expuesto es para dispositivos desarrollados con sustrato de GaSb con la técnica OMVPE. También se han desarrollado otros mecanismos con MBE y LPE. Las eficiencias cuánticas internas(IQE, en sus siglas en inglés) de estos dispositivos han sido excelentes. Las IQE de los mecanismos desarrollados con LPE se aproximan al 90% mientras que los dispositivos desarrollados con las otras dos técnicas exceden el 95%. El problema más importante de las células de InGaAsSb es la separación de fase. Las inconsistencias en la composición en todo el mecanismo son extremadamente perjudiciales para su rendimiento. Cuando se pueda evitar la separación de fase, las IQE y el factor de relleno del InGaAsSb se aproximan a los límites teóricos el las gamas de longitudes de onda cercanas a la energía de banda prohibida; sin embargo, el ratio Voc/Eg está lejos de ser el ideal. Mejorar este ratio a través del reciclaje de fotones y estructuras de células en serie podría ser el área en la que el rendimiento de este material se podría mejorar de manera significativa. Además, los métodos de fabricación actuales de PV de InGaAsSb son caros y su comercialización no es viable.

El arseniuro de galio y de indio (InGaAs) también es un semiconductor compuesto III-V. Su uso en las TPV se puede aplicar de dos maneras. Con un sustrato InP ajustado a un entramado reticular, el InGaAs tiene una banda prohibida de 0.74 eV, lo cual no es una mejora en el GaSb tradicional. Los dispositivos con esta configuración se han producido con un factor de relleno del 69% y un eficiencia del 15%. Sin embargo, para absorber fotones con longitudes de onda más altas, la banda prohibida se puede diseñar cambiando el ratio de In a Ga. La gama de bandas prohibidas para este sistema va desde 0.4 eV hasta 1.4 eV. Sin embargo, estas estructuras diferentes producen deformación con el sustrato InP. Este problema se puede controlar con capas graduadas de InGaAs con composiciones distintas; de esta manera, se puede desarrollar un dispositivo con una eficiencia cuántica del 68% y un factor de relleno del 68% desarrollado con epitaxia de haces moleculares. Este mecanismo también tiene una banda prohibida de 0.55 eV gracias a un compuesto de In0.68Ga0.33As. Los mecanismos InGaAs tienen la ventaja de ser un material que está bien desarrollado; también es posible ajustar el entramado reticular de manera perfecta con el Ge, teniendo como resultado densidades con defectos muy bajos. El empleo de Ge como sustrato supone una ventaja importante frente a otros sustratos más caros o más difíciles de producir.

La aleación de 4 fases del InPAsSb se ha desarrollado con OMVPE y LPE. Al diseñarlo para ajustar el entramado reticular a InAs, tiene una gama de banda prohibida que va desde 0.3 hasta 0.55 eV. Los beneficios del sistema TPV con una banda prohibida tan baja no se han estudiado mucho. Por eso, las células que incorporan InPAsSb no se han optimizado y todavía no tienen un rendimiento y unas propiedades competitivos. La sensibilidad espectral más larga de una célula de InPAsSb estudiada fue de 4.3µm con una respuesta máxima a 3µm. A pesar de que este es un material muy prometedor para gamas de banda prohibida muy bajas, se tiene que desarrollar todavía más. Tanto para este como para otros materiales con una banda prohibida extremadamente baja, resulta difícil conseguir IQE altas para longitudes de onda largas, debido a un aumento en la recombinación Auger.