Las investigaciones muestran que en cualquier momento llegan a la superficie terrestre aproximadamente 89.000 teravatios de energía solar, pero la tecnología existente sigue siendo difícil de aprovechar plenamente este enorme recurso, especialmente en la absorción de todo el espectro solar. Los módulos fotovoltaicos actuales convierten principalmente la luz visible y parte del infrarrojo cercano en energía eléctrica, y se desperdicia una gran cantidad de energía ultravioleta e infrarroja. Aunque los sistemas de concentración y de utilización de energía solar térmica intentan cubrir una banda más amplia, se ven limitados por limitaciones como materiales absorbentes imperfectos y una gran infraestructura. Cómo "exprimir" el espectro solar tanto como sea posible con costos y complejidad limitados se ha convertido en un tema importante en el campo de los materiales energéticos.
Un equipo de investigación de la Escuela de Graduados en Ciencia y Tecnología Convergentes del Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea (KU-KIST) de la Universidad de Corea en Seúl, Corea del Sur, informó recientemente sobre un nuevo desarrollo. Lograron una absorción eficiente de casi todo el espectro solar disponible en un dispositivo solar de utilización térmica a través de una estructura de nanoesferas de oro autoensambladas: "superbolas" coloidales plasmónicas. Según los informes, la tasa de absorción de luz de este nuevo recubrimiento en las bandas ultravioleta, visible e infrarroja cercana puede ser cercana al 90%, lo que mejora significativamente la eficiencia de captura de energía térmica y aumenta la potencia de salida en los dispositivos de generación de energía termoeléctrica a aproximadamente 2,4 veces la de los recubrimientos de nanopartículas tradicionales.
La radiación solar se compone aproximadamente de un 50% a un 55% de luz ultravioleta, de un 40% a un 45% de luz visible y de un 3% a 5% de luz infrarroja. Los módulos fotovoltaicos tradicionales son más sensibles a la luz visible y tienen una utilización limitada de ultravioleta y algo de infrarrojos. Los sistemas solares de concentración se basan en espejos para reflejar la luz solar hacia el receptor. Aunque cubren una banda más amplia, requieren estructuras ópticas y de soporte a gran escala y todavía están limitados por la eficiencia de absorción del material receptor. Los dispositivos de utilización de energía solar térmica funcionan razonablemente bien en términos de luz visible y absorción infrarroja, pero sus recubrimientos de superficie suelen ser difíciles de lograr una absorción de "cuerpo negro" de espectro completo, lo que resulta en una eficiencia general limitada del sistema.
Para resolver este cuello de botella, el equipo de investigación diseñó una estructura de "hiperesfera": primero, se prepararon coloides de nanopartículas de oro en una solución, lo que les permitió ensamblarse espontáneamente en agregados esféricos del tamaño de una micra en la fase líquida. Cada "hiperesfera" está compuesta por miles de nanopartículas de oro muy juntas. Luego, los investigadores cubrieron las gotas coloidales sobre la superficie cerámica del dispositivo de generación de energía termoeléctrica y las secaron para formar una capa densa y texturizada que mejoró significativamente la absorción de la luz solar. El diagrama que figura en el informe muestra una "hiperesfera" con un diámetro de unos 2.100 nanómetros, compuesta por una gran cantidad de nanopartículas de oro cuidadosamente diseñadas para mejorar el efecto de captura de luz.
Anteriormente se han utilizado películas de nanopartículas de oro y recubrimientos de absorción dieléctrica para mejorar la absorción de luz en bandas de longitud de onda específicas y reducir las pérdidas por rerradiación térmica. Sin embargo, estas soluciones tradicionales suelen tener problemas como una absorción infrarroja insuficiente, sensibilidad al ángulo de incidencia, elevados costes de fabricación y escasa estabilidad térmica en condiciones de servicio prolongado a alta temperatura. Por el contrario, la "hiperesfera" de plasma propuesta esta vez tiene un mecanismo diferente: la resonancia de plasmón superficial localizada (LSPR) generada en la superficie de las nanopartículas, superpuesta a la resonancia de tipo Mie de toda la hiperesfera, permite que los fotones incidentes queden "atrapados" efectivamente en las bandas ultravioleta, visible e infrarroja cercana y se conviertan en energía térmica. Este efecto sinérgico de resonancia multiescala es la clave para lograr una alta absorción de espectro completo.
En pruebas de rendimiento específicas, el dispositivo de generación de energía termoeléctrica recubierto con el recubrimiento de "hiperesfera" mostró una tasa de absorción de aproximadamente el 90% del espectro solar y, por lo tanto, formó un gradiente de temperatura más fuerte, lo que hizo que la potencia de salida fuera aproximadamente 2,4 veces mayor que la de los recubrimientos de nanopartículas tradicionales. El equipo de investigación señaló que esta tecnología se utiliza actualmente principalmente para diversos sistemas solares de base térmica, incluida la generación de energía solar termoeléctrica (TEG), los colectores solares térmicos, la gestión térmica y la calefacción pasiva. Además, se espera que se combine con células fotovoltaicas para construir un sistema híbrido fotovoltaico-fototérmico (PVT): la parte de luz visible se convierte en energía eléctrica mediante el módulo fotovoltaico, y la banda de longitud de onda restante se absorbe eficientemente en energía térmica a través del revestimiento de "hiperesfera".
Los autores del artículo incluyen a Jaewon Lee, Seungwoo Lee y Kyung Hun Rho, y los resultados relevantes se publicaron en la revista "ACS Applied Materials & Interfaces". Durante el estudio, Li Chengyou dijo que la "hiperesfera" de plasma que propusieron proporciona un camino que tiene una estructura simple pero que puede recolectar eficientemente todo el espectro solar, y se espera que reduzca significativamente el umbral técnico de los sistemas solares térmicos y fototérmicos de alta eficiencia en aplicaciones energéticas prácticas. Esta opinión se hace eco de un comunicado de prensa de la Sociedad Química Estadounidense citado en el artículo, que destaca el impacto potencial de esta tecnología en la mejora de la eficiencia de la energía solar.
Además de sus prestaciones destacadas, otra gran ventaja de esta tecnología es su practicidad. Los investigadores enfatizaron que el recubrimiento de "superesfera" se prepara mediante un proceso de solución, que tiene una complejidad de proceso baja y es fácil de aplicar a gran escala. Al mismo tiempo, este recubrimiento es directamente compatible con los dispositivos comerciales existentes, lo que significa que, sin cambiar significativamente la estructura del equipo, se espera que aporte mejoras significativas en el rendimiento de los sistemas existentes de utilización de energía solar térmica y generación de energía termoeléctrica mediante un simple recubrimiento o modificación. En el contexto de la acelerada transformación energética en todo el mundo, este tipo de innovación material que puede conectarse directamente a la infraestructura existente y tiene alta eficiencia y capacidad de fabricación se está convirtiendo en una de las direcciones que atrae mucha atención en el nuevo campo energético.