La Universidad Politécnica de Madrid (UPM) ha desarrollado un nuevo dispositivo basado en células termofotovoltaicas bifaciales, para convertir el calor radiante en electricidad a temperaturas más bajas que los diseños monofaciales convencionales, los cuales requieren una fuente térmica con temperaturas por encima de los 1.200ºC. Esto permitirá desarrollar sistemas de recuperación de calor y de almacenamiento energético más eficientes y compactos que podrían usarse en aplicaciones domésticas.
Los dispositivos termofotovoltaicos actuales tienen una limitación importante, que sólo son eficientes a temperaturas muy altas, por encima de los 1.200ºC aproximadamente. A temperaturas inferiores su eficiencia no supera el 20%. Esta limitación se debe a cómo están diseñados los dispositivos actuales. Un convertidor termofotovoltaico convencional consta de una célula fotovoltaica y un espejo colocado en su cara posterior.
Cuando la célula se expone a radiación incandescente los fotones con energía suficiente se absorben en la célula y producen electricidad. Pero los fotones poco energéticos (denominados ‘de infrarrojo’) se transmiten a través de la célula, se reflejan en el espejo y se devuelven al emisor incandescente, recalentándolo. Este último paso de recalentamiento es clave para que la eficiencia sea elevada, ya que, si no, los fotones poco energéticos serían desaprovechados.
El problema es que cuando la temperatura de la incandescencia disminuye, la energía de los fotones también disminuye, y, por lo tanto, el espejo es responsable de reflejar una mayor cantidad de fotones de infrarrojo. Se impone, por tanto, la utilización de espejos muy eficientes, mucho más eficientes de los que existen en la actualidad. Con los espejos actuales es muy difícil alcanzar eficiencias elevadas a temperaturas menores de 1.200ºC.
Nueva célula termofotovoltaica bifacial
Este problema se resuelve gracias a la célula termofotovoltaica bifacial, la cual se introduce en una cavidad incandescente para captar radiación por ambas caras. A diferencia de las células convencionales, los fotones poco energéticos atraviesan la célula y se reabsorben directamente en el emisor.
Además, como la célula se ilumina por ambas caras, la potencia generada es el doble de la generada por una célula convencional. Este último aspecto es clave, ya que permite producir el doble de potencia sin aumentar el coste del dispositivo, es decir, permite reducir el coste de la potencia generada a la mitad.
Una de las claves del diseño es que la célula se refrigera por los cantos. Las simulaciones realizadas predicen que de esta forma es posible mantener las células a una temperatura razonablemente baja, por debajo de los 80ºC sin pérdidas significativas de eficiencia.
El estudio, recientemente publicado en la revista ACS Photonics, concluye que las células termofotovoltaicas bifaciales permitirían la conversión eficiente del calor radiante en electricidad a temperaturas más bajas que los diseños monofaciales convencionales. Por lo tanto, podrían usarse para la recuperación de calor residual industrial o en sistemas de almacenamiento de energía térmica.