La célula solar como energía fotovoltaica compatible con textiles juega un papel crucial como fuente continua de energía en dispositivos portátiles.
En la última década, los investigadores han tratado de incorporar células fotovoltaicas orgánicas en los textiles.
Muchas compañías usan textiles solares para fabricar productos tales como refugios temporales de emergencia, toldos y equipo para exteriores.
A diferencia de los otros tipos de generación de energía, las células solares pueden producir suficiente electricidad.
En el orden de milivatios: para dispositivos portátiles utilizando la propia tela como plataforma para energía fotovoltaica.
Tres características importantes para la energía fotovoltaica compatible con textiles, son:
- La estabilidad ambiental
- La eficiencia energética suficiente
- La robustez mecánica.
Esta nueva célula solar ultrafina fue desarrollada por los científicos de la empresa RIKEN junto con la Universidad de Tokio.
Dichas células fotovoltaicas orgánicas podrían cambiar el futuro del textil tecnológico.
Pero estos textiles solares no son perfectos. “Es difícil garantizar que tengan una alta eficiencia, durabilidad / extensibilidad mecánica, estabilidad en el aire y en el agua, a la vez que se puedan lavar”, escriben los ingenieros del Centro RIKEN para las ciencias emergentes en Japón.
El desafío radica en la dificultad de hacer que las células solares sean flexibles y resistentes al agua y al aire.
De hecho, las células solares orgánicas se encapsulan en películas de caucho blando para protegerlas de la humedad y el aire.
Pero las capas de encapsulación deben ser ultra delgadas para que la película permanezca flexible y extensible, y esto compromete la protección que proporcionan.
La capa activa de células solares ultrafino orgánico, un fotovoltaica orgánica (OPV), convierte la luz en electricidad con una eficiencia de la luz del sol alrededor del 8%, mientras que muy estable en aire y agua.
La creación de esta tecnología inicio en una investigación denominada células fotovoltaicas orgánicas basadas en un material llamado PNTz4T.
El cual habían desarrollado en trabajos anteriores, donde depositaron la célula en una arquitectura inversa, que habían desarrollado previamente, sobre una película de parileno de un grosor de 1 pulgada.
La célula ultraflexible está recubierta por ambos lados con una película alargable e impermeable de elastómero.
Este material realiza elasticidad y estabilidad en el agua mientras mantiene una alta eficiencia de 7.9%.
El nuevo tipo de célula solar ultrafina puede seguir suministrando electricidad a partir de la luz solar incluso después de haberla sumergido en el agua.
Además se pueden comprimir o estirar sin ningún problema.
Como el material activo es muy delgado y está basado en un material orgánico, puede flexionarse sin romperse.
Al colocar películas de elastómero estiradas como caucho en el exterior, el material se hizo elástico.
Esta estructura plegada da a la célula su escalabilidad: cuando se estira, los pliegues son aplanados, lo que significa que el dispositivo puede ser expandido hasta la mitad de su longitud sin dañarse.
Resistencia y Eficiencia de la Célula Solar
La célula solar ultrafina se colocó entonces sobre un elastómero acrílico.
La parte superior del dispositivo se recubrió con un elastómero idéntico, lo que le dio un recubrimiento en ambos lados para evitar la infiltración de agua.
El elastómero, al mismo tiempo que permitía la entrada de luz, evitaba que el agua y el aire penetren en las células, lo que las hacía más duraderas que los experimentos anteriores.
Según las pruebas realizadas; éstas arrojan una fuerte eficiencia energética de 7.9%, produciendo una corriente de 7.86 milivatios por centímetro cuadrado.
La densidad era de 13.8 miliamperios/cm2 a 0.57 voltios, basada en una luz solar simulada de 100 milivatios/cm2.
Para probar su resistencia al agua, la remojaron en agua durante dos horas.
En este tiempo descubrieron que la eficiencia de los dispositivos revestidos con doble cara disminuye.
El resultado fue de solo un 5.4% después de la inmersión en agua durante 120 minutos.
Y para probar la durabilidad, lo sometieron a compresión.
Donde descubrieron que se mantiene en 80% del valor inicial.
Incluso después de una compresión mecánica del 52% durante 20 ciclos con 100 minutos de exposición al agua.
La idea es que estas células solares puedan alimentar dispositivos electrónicos como sensores para medir:
La frecuencia cardíaca, la temperatura corporal, la presión arterial y otros parámetros médicos importantes.
De hecho, este tipo de tecnología se podría usar para alimentar dispositivos portátiles que se puedan llevar en el cuerpo o incluso en la ropa.
Actualmente es un campo de investigación en auge.
Ya que, existe una necesidad de crear nuevas fuentes de alimentación para una gran cantidad de nuevos dispositivos.
Un punto importante de las células solares es:
Para el 2025, se esperan que se encuentren en funcionamiento unos 50 mil millones de objetos conectables en el mundo.
Por lo tanto, representa un gran consumo de energía y con respecto a los textiles electrónicos solamente se prevé que el mercado crezca al menos un 36% para el 2022, según información suministrada por Occams Business Research & Consulting, en un análisis de noviembre de 2016.
Si las células solares pudieran combinarse con baterías delgadas y livianas, su utilidad podría mejorarse aún más.
Las aplicaciones prácticas del mundo real son propensas a ser posible de tres a cinco años.
Pero las empresas ya han expresado su interés en la comercialización de esta tecnología.
Los dos principales obstáculos que deberán superarse son el costo y el tamaño de las células solares.
Las celdas están actualmente limitadas a 10 centímetros por 10 centímetros y son bastante costosas de fabricar.
CELULAS FOTOVOLTAICAS
La característica común a todas las tecnologías fotovoltaicas es la presencia en el material de la célula de un donante y un receptor de electrones para permitir este desplazamiento de cargas. Una vez transferido a un circuito eléctrico externo, toma la forma de una corriente eléctrica continua.
LAS PRINCIPALES TECNOLOGÍAS SOLARES FOTOVOLTAICAS.
Podemos distinguir tres familias principales de células solares:
- células de silicio cristalin , para las cuales el elemento activo es silicio dopado en la masa. Aunque es más antigua, esta tecnología todavía representa el 90% de la participación en el mercado debido a su robustez y rendimiento (rendimiento del módulo que varía del 12 al 20% durante una vida útil de aproximadamente 30 años).
- así como a importantes inversiones que han sido destinados, ya sea para la transformación de silicio, la elaboración de células o el ensamblaje de módulos.
- Las células basadas en película delgada que tienen en común el proceso de depositar el material semiconductor de película delgada en una variedad de sustratos y dar una apariencia uniforme, produciendo módulos de rendimiento ligeramente menor (7 a 13%).
- La cuota de mercado de todas estas tecnologías es de aproximadamente el 10% y se mantiene relativamente estable: estos sectores han perdido la ventaja de su menor costo de producción con las inversiones masivas realizadas en silicio a principios de la década de 2000.
- células basadas en energía fotovoltaica orgánica, un segmento en el que la investigación se está intensificando con el fin de producir células de muy bajo costo para nuevas aplicaciones.
- Su principio de funcionamiento se basa en las células de tinte de Michael Grätzel con variaciones en el tipo de materiales utilizados. Con rendimientos del orden del 3 al 5%, su punto débil sigue siendo hoy su vida limitada.
- la capa que posee la característica de ser absorvente activo que consiste en un primer material que acepta electrones y un segundo material donador de electrones que conforma un enlace donador-aceptor;
- la s toque s metálica delantera y trasera que constituye el electrodo positivo (+) y negativo (-) responsable de recoger la corriente generada;
- capas adicionales , como una capa antirreflectante o más dopada para mejorar el rendimiento de la célula : mejor absorción de la luz, mejor difusión de los portadores de carga en el material, etc.
Por lo tanto, lo que diferencia una tecnología solar de otra es principalmente la naturaleza del absorbente. Sus propiedades fisicoquímicas dependen de los métodos de deposición utilizados.
En busca del material ideal
En la actualidad, las células solares disponibles comercialmente están hechas de uno de tres materiales: silicio, teluro de cadmio (CdTe) y seleniuro de cobre-indio-galio (CIGS), cada uno con sus propios puntos. fortalezas y debilidades.
Las células solares con silicio son extremadamente eficientes, convirtiendo hasta el 25% de la luz solar que las alcanza en electricidad de una manera muy sostenible.
Sin embargo, la transformación de las rebanadas de silicio es muy costosa y estas rebanadas deben ser muy gruesas (aproximadamente 0.3 milímetros, una cifra significativa para las células solares) para absorber toda la luz solar que se produce sobre ellas, lo que Además, aumenta el costo.
Las células solares hechas de silicio, a menudo llamadas células de primera generación, se usan en paneles, una visión que se ha vuelto familiar en los techos.
Nuestro centro está estudiando otro modelo, llamado células solares de “película delgada”, que es la próxima generación de tecnología solar.
Como su nombre lo indica, estas células solares tan delgadas como una película de película se hacen aplicando una capa delgada de material.
Que absorbe energía solar a un soporte como vidrio o plástico, que es inherentemente flexible.
La demanda mundial de energía aumenta cada hora a medida que los países en desarrollo se dedican a la industrialización.
Según los expertos, para el año 2050, la demanda de electricidad, para todo el mundo, ascendería a 30 teravatios (TW). Para dar una idea, 1 teravatio es aproximadamente equivalente a la potencia de 1.300 millones de caballos de fuerza.
La energía solar no conoce límites. En todo momento, el Sol nos proporciona una potencia de 120,000 TW. Pero hoy, esta forma de energía representa solo alrededor del 1% de la electricidad del mundo.
El problema crítico es hacer que sea más barato convertir la energía de la foto en energía eléctrica utilizable.
Para hacer esto, necesitamos encontrar materiales que absorban la luz solar y puedan transformarla eficientemente en electricidad. Además, estos materiales deben ser abundantes, no perjudiciales para el medio ambiente y tener un costo razonable para fabricar dispositivos solares.
Aunque la tecnología de película delgada solar está avanzando rápidamente, algunos materiales en estas celdas son raros o peligrosos.
Por ejemplo, el cadmio CdTe es muy tóxico para todas las especies vivas y puede causar cáncer en humanos. CdTe puede dividirse en cadmio y teluro a altas temperaturas (por ejemplo, en un laboratorio o durante un incendio) y causar un riesgo significativo si se inhala.
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