Concentradores solares basados en fibras ópticas de plástico luminiscentes

El objetivo de convertir la luz solar en electricidad utilizando células fotovoltaicas lleva siendo objeto de investigación desde hace más de 60 años, con las células de silicio dominando el campo. Sin embargo, la producción de energía solar aun no puede competir económicamente con las fuentes de energía fósiles. Por un lado, se necesitan grandes superficies de células solares, que sumado al alto coste de la producción de silicio de alta pureza, conlleva un alto costo del sistema. Por otro lado, para mantener la alta conversión eficiencias de las células solares, se necesita un sistema de seguimiento solar muy preciso, que también conduce a un aumento en el costo final del sistema.

Una opción para reducir costes sería concentrar la luz solar en una superficie más pequeña de células fotovoltaicas. Los concentradores solares luminiscentes (LSC de sus siglas en inglés) se presentan como potenciales candidatos para la producción de energía solar de una forma más económica.

Concentradores Solares Luminiscentes

Los LSC son guías de onda transparentes dopadas con materiales luminiscentes que son capaces de absorber la luz solar a través de su superficie, emitirla a una mayor longitud de onda, y transportarla por reflexión total interna a los extremos donde se colocan las células fotovoltaicas. Estos sistemas presentan múltiples ventajas, como la captación de luz solar en cualquier ángulo (no necesitan de un sistema de seguimiento solar), rendimiento invariable bajo diferentes condiciones de iluminación y disipación de calor distribuida en un área grande.

El uso de polímeros transparentes baratos como materiales base, y la ubicación de las células fotovoltaicas en los extremos, disminuyen considerablemente el costo total del sistema de captación de energía solar.

Tradicionalmente, los LCS han sido diseñados con geometría rectangular, sin embargo, como la luz producida por estos dispositivos no es una fuente de luz puntual, los LSC planos muestran una gran limitación en acoplamiento entre los bordes de la capa activa y la célula fotovoltaica, y también fibras ópticas de plástico (POF, por sus siglas en inglés) pasivas para la conversión de energía en puntos alejados de la fuente de luz solar.

La estructura de guía de onda cilíndrica de las POF añade varios beneficios. Por un lado, son ligeras, delgadas y flexibles, lo que permite una fácil manipulación por parte del usuario. Por otro lado, pueden fácilmente conectarse a POF transparentes para guiar la luz, lo que permite la separación espacial entre el sistema de recolección de luz y la colocación del sistema final cuando sea necesario. Por otra parte, el uso de POF dopadas para realizar LSCs flexibles y de bajo peso pueden permitir la recolección de energía en aplicaciones móviles.

Teóricamente, un LSC podría alcanzar la misma eficiencia de conversión que una célula fotovoltaica de unión simple, pero experimentan un mayor número de mecanismos que incrementan las pérdidas a lo largo de la transmisión de luz. Estas pérdidas implican que las eficiencias de conversión sean más bajas que las de las células fotovoltaicas estándar bajo radiación solar directa. Por lo tanto, es poco probable que los LSC se posicionen líderes en el mercado global de energía solar.
Sin embargo, debido a las ventajas que presentan la tecnología LSC combinada con materiales comúnmente disponibles y su facilidad de procesamiento, existe la oportunidad de desarrollar dispositivos útiles y rentables que encuentren su lugar en nichos de mercado específicos.

Uno de los nichos de mercado con un alto potencial es el denominado “building integrated fotovoltaics (BIPV)” en las ciudades, donde el costo del suelo para la instalación de células solares es muy alto, y el espacio disponible en las azoteas es demasiado escaso para acomodar grandes módulos fotovoltaicos.

Además, cualquier sistema recolector de energía solar destinado a ser utilizado en escenarios urbanos está sujeto a diversos grados de sombras debido a árboles, otros edificios, o nubes, lo que disminuye el rendimiento del sistema fotovoltaico. Por lo tanto, la integración de la tecnología LSC en la construcción de fachadas está siendo investigada para la generación de energía para utilidad local.

Los LSC ofrecen la posibilidad integrar en la arquitectura de forma “invisible” dispositivos de recolección de energía solar. La implementación de los LSCs en la BIPV juega un papel clave en la transición a una arquitectura energéticamente sostenible, también conocida como “net zero energy buildings” (NZEB). En estos edificios el consumo de energía está casi completamente equilibrado por la energía renovable generada en el mismo edificio, lo que también proporciona una recuperación rápida de la inversión. La Comisión Europea exige que todos los edificios nuevos sean NZEB para finales del 2020.

Este trabajo de investigación combina el diseño, la fabricación y la caracterización de novedosas POF doblemente dopadas para aplicaciones LSC. El sistema de concentración de luz solar propuesto combina los beneficios de la estructura cilíndrica de POFs con los de usar una combinación hibrida de dopantes, mezclando colorantes orgánicos y materiales metal-orgánicos.

Las amplias bandas de absorción y emisión de la combinación híbrida de dopantes permiten una amplia utilización del espectro solar, y la ausencia de superposición entre los espectros de absorción y emisión de los materiales orgánicos contribuye a minimizar las pérdidas por reabsorción. Los resultados obtenidos pueden tener un fuerte impacto en el campo de los LSC basados en POF dopadas, ya que ofrecen una prometedora tecnología costo-efectiva para la producción de energía sostenible a pequeña escala.

Figura 1. Esquema de una POF dopada funcionando como un concentrador solar luminiscente. FFSC: Fluorescent Fiber Solar Concentrator. La superficie reflectante se emplea para aumentar el rendimiento reflejando la luz solar que puede atravesar la fibra otra vez a su interior. 

Figura 2. Fibra doblemente dopada posicionada en el set-up experimental. La fibra es iluminada por su superficie (una longitud de 6 cm) mediante un simulador solar. La luz absorbida y generada por la fibra es transmitida a uno de sus extremos. 

Figura 3. Esquema experimental y fotografía real de las fibras siendo iluminadas por el simulador solar.

Referencia al artículo publicado en la revista “Solar Energy Materials & Solar Cells”: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927024818300138

Autoría: Itxaso Parola, Ingeniera de Telecomunicaciones e Investigadora en el grupo de Fotónica Aplicada de la UPV/EHU