Celda Termofotovoltaica o motor térmico

Un grupo de investigadores del MIT ha construido una celda termofotovoltaica altamente eficiente que, cuando se combina con fuentes renovables, convierte de manera eficiente los fotones entrantes (partículas de luz) en electricidad. Es un logro que podría inspirar nuevas formas de suministrar energía al mundo.

“El problema es que no obtienes energía renovable cuando quieres”, nos explicaba por videollamada Asegun Henry, ingeniero mecánico del MIT. La respuesta a este dilema radica en lo que Henry llama “baterías térmicas”, donde la energía proveniente de las fuentes de energía renovables, como la solar, se almacena en forma de calor.

Las baterías térmicas podrían enviar energía a la red eléctrica cuando sea necesario, dijo Henry. Las baterías de iones de litio no son suficientes para cumplir con este propósito. Desafortunadamente, las baterías de iones de litio son demasiado caras, y se han realizado varios estudios que han analizado cuanto barato debe ser el almacenamiento para que tengamos una red completamente renovable, explicó Henry.

Así que ahí es donde desarrollaron esta tecnología, las baterías térmicas, porque almacenar energía en forma de calor en lugar de almacenarla electroquímicamente es 100 veces más barato.

Esta celda termofotovoltaica está basada en la física fundamental de los semiconductores. Los átomos dentro de las aleaciones de un semiconductor tienen una banda prohibida, la distancia entre la capa de valencia de los electrones y la banda de conducción.

Cuando los electrones de la banda de valencia se cargan de energía, se excitan y saltan de la banda de valencia a la banda de conducción. Este salto provoca una liberación de energía, en la que la cantidad precisa de energía liberada se rige por la distancia de la banda prohibida. Es decir, la cantidad de energía que se libera está determinada por la cantidad de energía que necesita el electrón para cruzar por la banda prohibida.

Los electrones de esta célula termofotovoltaica se encuentran dentro de sus aleaciones, y se apilan unos encima de otros. La celda está hecha de dos capas de aleaciones semiconductoras y una capa reflectante de oro. Las aleaciones de este experimento fueron elegidas de acuerdo con la longitud de onda de los fotones necesarios para alimentar la celda con su máxima eficiencia.

La posición de las aleaciones dentro del motor térmico también fue un factor importante. La primera capa fue diseñada para tener la banda prohibida más grande y así capturar los fotones de mayor energía.

Los fotones no capturados por la primera capa caen a la segunda capa y empujan los electrones a través de una brecha energética más pequeña. Si un fotón no tiene suficiente energía para empujar a un electrón a través del espacio en la primera o segunda capa, ahí es donde la capa reflectante de oro puede reflejar los fotones hacia la fuente de luz y así reducir el desperdicio de energía. La clave, sin embargo, es de dónde provienen estos fotones.