Termofotovoltaica
La termofotovoltaica (TPV) toma un rodeo que merece la pena: en lugar de convertir el calor directamente en corriente, hace primero que el calor luzca y capta después la luz con una célula semiconductora.
El montaje
Bastan dos partes. Un emisor se lleva a alta temperatura y emite al hacerlo — como todo cuerpo caliente — ondas electromagnéticas. Una célula fotovoltaica situada enfrente convierte esa radiación en corriente.
A diferencia de lo que ocurre en una célula solar, el máximo de la radiación no se sitúa en el visible, sino en el infrarrojo cercano. A 2 000 kelvin se sitúa en torno a 1,5 micrómetros.
Por qué el rodeo tiene sentido
La termoelectricidad convierte el calor directamente en tensión, pero necesita para ello un gradiente térmico y rara vez pasa del ocho por ciento de rendimiento. La razón es un conflicto de objetivos en el material: hace falta algo que conduzca bien la corriente y mal el calor, y en la mayoría de las sustancias ambas conductividades van de la mano.
La termofotovoltaica no tiene ese conflicto. Su límite no es la ciencia de los materiales, sino la física de la radiación — y esta se sitúa claramente más arriba.
Los dos artificios decisivos
Banda prohibida adaptada. La célula se ajusta al espectro del emisor. Para el dominio infrarrojo son apropiados semiconductores como el arseniuro de galio, el arseniuro de galio e indio o el arseniuro-antimoniuro de galio e indio — y no el silicio, cuya banda prohibida de 1,12 electronvoltios es demasiado grande para esas longitudes de onda.
Los montajes modernos apilan dos células con bandas prohibidas distintas una sobre otra, de modo que cada una aprovecha la parte del espectro que le conviene.
Recuperación. Los fotones cuya energía queda por debajo de la banda prohibida no podrían hacer nada y se perderían. En lugar de desperdiciarlos, se coloca detrás de la célula un espejo que los devuelve al emisor. Allí contribuyen al calentamiento.
Ese artificio es la razón de los saltos de los últimos años. Convierte una pérdida en un circuito: lo que la célula no puede aprovechar no se pierde, sino que vuelve a la calefacción.
El estado de la técnica
En 2022, un grupo de trabajo del MIT y del National Renewable Energy Laboratory informó en Nature sobre una célula tándem con un rendimiento de alrededor del 40 por ciento para temperaturas de emisor comprendidas entre 1 900 y 2 400 grados Celsius.
Es una cifra notable. Se sitúa por encima del rendimiento de una turbina de vapor en una central corriente — y eso en una disposición sin una sola pieza móvil, sin agua, sin mantenimiento.
La aplicación en la que se piensa
El empleo que viene a la mente es el almacenamiento de corriente en forma de calor.
La corriente eólica y solar excedente calienta un medio de almacenamiento — por ejemplo silicio fundido o bloques de grafito — a más de 2 000 grados. Si la corriente se necesita más tarde, las células TPV la devuelven.
El atractivo reside en los costes. Un acumulador de calor está hecho de materiales baratos y abundantes y apenas envejece, mientras que las baterías son caras y pierden capacidad. Se tendría una batería sin química.
Distinción respecto a la neutrinovoltaica
La diferencia es el punto de partida. La termofotovoltaica necesita una fuente caliente, y ese calor tiene que venir de alguna parte — de una combustión, de luz solar concentrada, de un acumulador. Sin emisor caliente no hay radiación ni corriente.
La neutrinovoltaica interviene allí donde no hay disponible ninguna fuente de ese género. Su pretensión se dirige a flujos que están presentes en todas partes y de manera constante, y con ello a aplicaciones en la oscuridad, en el interior, bajo tierra.
Para La fotovoltaica en comparación vale algo parecido: necesita luz procedente del exterior; la termofotovoltaica se produce su luz ella misma.
Lo que de ello hay que aprender
La termofotovoltaica muestra dos cosas que valen también para otros planteamientos.
Primero: el rodeo aparente puede ser el camino más corto. Convertir el calor en corriente a través de la radiación es más engorroso que la vía directa — y suministra cinco veces más.
Segundo: el progreso no vino de una nueva idea de base, sino de un trabajo cuidadoso sobre los materiales, sobre la banda prohibida y el espejo. Precisamente en eso consiste también la tarea que la neutrinovoltaica se ha fijado con sus apilamientos multicapa de grafeno y silicio.
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Fuentes
- A. LaPotin et al.: Thermophotovoltaic efficiency of 40 %, Nature 604, 287–291 (2022).