Los materiales en la mayoría de los paneles solares residenciales en la azotea de hoy en día pueden almacenar energía del sol por solo unos pocos microsegundos a la vez. Una nueva tecnología desarrollada por químicos en UCLA es capaz de almacenar energía solar por hasta varias semanas - un avanceeso podría cambiar la forma en que los científicos piensan sobre el diseño de células solares.
Los hallazgos se publican el 19 de junio en la revista ciencia .
El nuevo diseño está inspirado en la forma en que las plantas generan energía a través de la fotosíntesis.
'La biología hace un muy buen trabajo al crear energía a partir de la luz solar', dijo Sarah Tolbert, profesora de química de la UCLA y una de las autoras principales de la investigación. 'Las plantas hacen esto mediante la fotosíntesis con una eficiencia extremadamente alta'.
'En la fotosíntesis, las plantas que están expuestas a la luz solar usan estructuras nanoescalares cuidadosamente organizadas dentro de sus células para separar rápidamente las cargas, alejando los electrones de la molécula cargada positivamente que queda atrás y manteniendo separadas las cargas positivas y negativas', dijo Tolbert. 'Esa separación es la clave para hacer que el proceso sea tan eficiente'.
Para capturar energía de la luz solar, las celdas solares convencionales en la azotea usan silicio, un material bastante costoso. Actualmente existe un gran impulso para hacer que las celdas solares de menor costo utilicen plásticos, en lugar de silicio, pero las celdas solares plásticas de hoy en día son relativamente ineficientes,en gran parte porque las cargas eléctricas positivas y negativas separadas a menudo se recombinan antes de que puedan convertirse en energía eléctrica.
'Las células solares de plástico modernas no tienen estructuras bien definidas como las plantas porque nunca supimos cómo hacerlas antes', dijo Tolbert. 'Pero este nuevo sistema separa las cargas y las mantiene separadas durante días o incluso semanasUna vez que hagas la estructura correcta, puedes mejorar enormemente la retención de energía ''.
Los dos componentes que hacen funcionar el sistema desarrollado por UCLA son un donante de polímero y un receptor de fullereno a nanoescala. El donante de polímero absorbe la luz solar y pasa electrones al receptor de fullereno; el proceso genera energía eléctrica.
Los materiales plásticos, llamados fotovoltaicos orgánicos, generalmente se organizan como un plato de pasta cocida: una masa desorganizada de 'espagueti' de polímero largo y delgado con 'albóndigas' de fullereno al azar. Pero este arreglo hace que sea difícil sacar corriente dela célula porque los electrones a veces saltan de regreso al espagueti de polímero y se pierden.
La tecnología UCLA organiza los elementos de forma más ordenada, como pequeños paquetes de espaguetis crudos con albóndigas colocadas con precisión. Algunas albóndigas de fullereno están diseñadas para sentarse dentro de los paquetes de espagueti, pero otras se ven obligadas a permanecer en el exterior. Los fullerenos dentro de la estructuratome electrones de los polímeros y tírelos al fullereno externo, que puede mantener los electrones lejos del polímero durante semanas.
'Cuando las cargas nunca se vuelven a unir, el sistema funciona mucho mejor', dijo Benjamin Schwartz, profesor de química de la UCLA y otro coautor principal. 'Esta es la primera vez que esto se muestra utilizando materiales fotovoltaicos orgánicos sintéticos modernos. '
En el nuevo sistema, los materiales se autoensamblan simplemente colocándolos cerca.
'Trabajamos muy duro para diseñar algo para no tener que trabajar muy duro', dijo Tolbert.
El nuevo diseño también es más respetuoso con el medio ambiente que la tecnología actual, porque los materiales pueden ensamblarse en agua en lugar de soluciones orgánicas más tóxicas que se usan ampliamente hoy en día.
'Una vez que hagas los materiales, puedes volcarlos en agua y se ensamblan en la estructura adecuada debido a la forma en que están diseñados los materiales', dijo Schwartz. 'Así que no hay trabajo adicional'
Los investigadores ya están trabajando en cómo incorporar la tecnología en las células solares reales.
Yves Rubin, profesor de química de la UCLA y otro coautor principal del estudio, dirigió el equipo que creó las moléculas de diseño único. "Todavía no tenemos estos materiales en un dispositivo real; todo esto está en solución,'', dijo. 'Cuando podamos juntarlos y hacer un circuito cerrado, realmente estaremos en algún lugar'.
Por ahora, sin embargo, la investigación de la UCLA ha demostrado que los materiales fotovoltaicos de bajo costo pueden organizarse de una manera que mejore en gran medida su capacidad de retener energía de la luz solar.
Tolbert y Schwartz también son miembros del Instituto de Nanosistemas de California de la UCLA. Los otros coautores del estudio fueron los estudiantes graduados de la UCLA Rachel Huber y Amy Ferreira. El Centro de Imágenes Electrónicas para NanoMachines de la UCLA tomó imágenes de la estructura ensamblada en un laboratorio dirigido por Hong Zhou.
La investigación fue apoyada por la National Science Foundation subvención CHE-1112569 y por el Centro de Materiales de Energía de Ingeniería Molecular, un Centro de Investigación de la Frontera Energética financiado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos DE-AC06-76RLO-1830. Ferreirarecibió apoyo del Clean Green IGERT concesión DGE-0903720.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Los Ángeles . Original escrito por Melody Pupols. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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