Las células solares flexibles proporcionan un 214% más de energía con la luz solar

Las celdas termogalvánicas utilizan una diferencia de temperatura para generar voltaje electroquímicamente. Son especialmente interesantes para el llamado calor de baja temperatura, que se produce en muchos procesos técnicos y es demasiado frío para los motores térmicos clásicos. La luz del sol también puede actuar como fuente de calor. Sin embargo, surge un problema fundamental. Cuando se irradia toda la célula, ambos lados se calientan. Se reduce el gradiente de temperatura y con ello la energía eléctrica. Por ello, investigadores de la Universidad Donghua de Shanghai desarrollaron una célula flexible asimétrica. Una superficie absorbe la luz con especial intensidad y la convierte en calor. El lado opuesto emite simultáneamente radiación térmica en un rango espectral donde la atmósfera terrestre es relativamente permeable. Esto le permite permanecer pasivamente más fresco.

Los investigadores utilizan celulosa bacteriana como material de soporte. En el lado caliente están los nanotubos de carbono que absorben la luz solar y la convierten en calor. El lado de enfriamiento contiene dióxido de titanio y está optimizado para enfriamiento radiativo pasivo. El objetivo no es calentar todo el dispositivo lo más posible, sino lograr la mayor diferencia de temperatura posible dentro de la delgada celda. El estudio realizado en npj Electrical Electronics informa de una diferencia de temperatura de 14,11 Kelvin bajo irradiación estandarizada. Esto creó un voltaje de 18,07 milivoltios y una densidad de potencia máxima de 13,98 milivatios por metro cuadrado.

Porque la diferencia de temperatura es más importante que el calor puro

Una celda termogalvánica contiene un par redox cuyo equilibrio electroquímico depende de la temperatura. Si los dos electrodos están a diferentes temperaturas, sus potenciales electroquímicos también difieren. Esto crea una tensión. Sin embargo, si también se calienta el electrodo frío, parte de esta ventaja desaparece. Por lo tanto, el nuevo diseño trata ambos lados de la celda de forma completamente diferente. La parte superior debe absorber la mayor cantidad de energía solar posible. El lado opuesto, sin embargo, debería irradiar calor de manera eficiente hacia el cielo. Este principio de refrigeración pasiva por radiación ya se ha estudiado para superficies de construcción y materiales de refrigeración. Ahora los investigadores lo están integrando directamente en un convertidor de energía electroquímico. Esto crea el gradiente de temperatura sin una bomba activa o un sistema de refrigeración accionado eléctricamente.

El 214% se refiere a la densidad máxima de potencia.

El espectacular aumento debe clasificarse con precisión. La celda optimizada entregó un máximo de 13,98 milivatios por metro cuadrado. Esto es un 214% más que una variante que se calentaba fototérmicamente pero no tenía un enfriamiento por radiación tan efectivo. Por lo tanto, no se trata de una eficiencia del 214% ni del triple de cualquier tecnología solar. El rendimiento absoluto sigue siendo pequeño. Por lo tanto, el proceso está dirigido más a sensores y sistemas con necesidades energéticas muy bajas que a alimentar una casa. Los investigadores, por ejemplo, demostraron un interruptor dependiente de la luz para ventanas inteligentes utilizando un amplificador de voltaje adicional. El verdadero progreso reside en el mejor uso de un pequeño gradiente de temperatura.

La construcción flexible abre lugares insólitos

Debido a que la celda está hecha de un material de celulosa flexible, no debe colocarse sobre una superficie plana y rígida. Son posibles superficies curvas, carcasas, tuberías o tejidos técnicos, siempre que en ellos se pueda crear un gradiente de temperatura estable. El calor residual industrial, en particular, se produce a menudo en superficies cuya temperatura es significativamente más alta que la ambiente, pero demasiado baja para una turbina clásica. Hasta ahora, esta energía se ha liberado por completo al medio ambiente. Sin embargo, el nuevo trabajo aún no muestra un sistema de calor residual industrial. Sobre todo se comprobó la diferencia de temperatura generada por el sol. Que las bajas diferencias de temperatura son técnicamente difíciles de aprovechar también lo demuestra otro concepto en el que un centro de datos flotante debería combinar el calor residual y la temperatura del mar. La eficiencia térmica también es de sólo unos pocos puntos porcentuales.

El enfriamiento radiativo pasivo ahorra energía adicional

Un sistema de refrigeración activo consumiría inmediatamente parte de la energía eléctrica adquirida. La refrigeración pasiva por radiación, por el contrario, no requiere ni bomba ni compresor. Los materiales están diseñados de tal manera que emiten calor especialmente bien al cielo en forma de radiación infrarroja. En condiciones adecuadas, una superficie puede incluso descender por debajo de la temperatura del aire circundante. Con la nueva célula es suficiente una reducción significativa del calentamiento no deseado del lado frío. Los autores hablan de suprimir el calentamiento parásito. Este término describe el calor que ingresa al sistema pero es contraproducente para el gradiente de temperatura deseado. Gracias al revestimiento asimétrico, la luz solar se utiliza como fuente de energía y como desencadenante de una diferencia de temperatura controlada.

Aplicaciones con límites de potencia bajos

Con poco menos de 14 milivatios por metro cuadrado, la célula está lejos de la densidad de potencia de la energía fotovoltaica normal. Los módulos solares modernos proporcionan una potencia eléctrica del orden de cientos de vatios por metro cuadrado a plena luz del sol. Por tanto, la competencia directa no tiene sentido. Los sistemas termogalvánicos aprovechan la energía que de otro modo se perdería en forma de calor o de dispositivos muy pequeños y autosuficientes. Los sensores de construcción, las mediciones ambientales o los dispositivos electrónicos inalámbricos a veces pueden requerir solo milivatios o menos. Una fuente de energía que funcione de forma independiente puede resultar atractiva si reduce el mantenimiento y el reemplazo de baterías. Sin embargo, para este tipo de aplicaciones, la estabilidad a largo plazo, la resistencia a la intemperie y el rendimiento en condiciones de nubes cambiantes son más importantes que un único valor máximo en el laboratorio.

El experimento combina calentamiento y enfriamiento en un componente delgado

Las investigaciones publicadas muestran una gestión energética inusual. La luz del sol no sólo calienta toda la célula. En cambio, un lado se calienta específicamente mientras que el otro irradia tanto calor como sea posible. Sólo la diferencia entre los dos lados crea el voltaje electroquímico. Que esto dé como resultado productos robustos depende de la incrustación de los recubrimientos, la durabilidad del electrolito y el comportamiento en condiciones atmosféricas reales. Las medidas externas y un demostrador de ventana inteligente proporcionan una prueba inicial de funcionalidad. La verdadera palanca técnica sigue siendo el gradiente de temperatura controlado, que extrae una cantidad significativamente mayor de energía eléctrica utilizable con la misma cantidad de radiación solar.

npj Electrónica flexible, Amplificación de termopotencia en células termogalvánicas mediante conversión fototérmica mediada por enfriamiento radiativo; doi:10.1038/s41528-026-00646-1

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