Las celdas solares, intermediarias que hacen que la luz del Sol se convierta en electricidad, son uno de los mecanismos de energía alternativa más relevantes en el mundo, por lo que constantemente se busca cómo hacerlas más eficientes. Una investigación propone un modelo que podría ser el primer paso para simularlas y diseñarlas utilizando alambres imperceptibles al ojo humano (nanoalambres).
Un panel o placa solar está formado por entre 30 y 70 celdas solares –dependiendo del fabricante–, y a su vez cada una de ellas está compuesta por dos semiconductores, uno de carga positiva –huecos– y otro de carga negativa –electrones.
El físico Christian Joven, estudiante de la Maestría en Ciencias Físicas de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL), señala que las celdas solares suelen ser planas, característica que disminuye su eficacia en la captura de luz solar.
Cómo son estas las celdas solares más eficientes
En su investigación, diseñó un modelo matemático que permitiría desarrollar celdas solares de nanoalambres –cables a escala nanométrica, imperceptibles al ojo humano, que conducen la electricidad–, cuya forma radial con una circunferencia, similar a una esfera, facilitaría un mayor aprovechamiento de la luz.
“La investigación evidenció que la absorción de la luz en un nanoalambre puede ser mayor debido a la reducción de la reflexión de la luz, un fenómeno que ocurre cuando los rayos chocan con una superficie, se desvían y regresan al medio de donde salieron”, explica el estudiante Joven, quien forma parte del semillero “Nuevos materiales y energía renovables”, del Instituto de Estudios de la Orinoquia.
El profesor Roberto Bernal, de la UNAL, codirector del trabajo de investigación, aclara que “hasta ahora las celdas de nanoalambres son solo experimentales, no comerciales. Sin embargo, la aproximación al tema realizada por el estudiante Joven permite recomendar una posible alternativa para desarrollar a futuro este tipo de dispositivos”.
Profesor y pupilo anotan que el estudio se encuentra en la primera fase, y la segunda se enfocaría en “encontrar la densidad de corriente y la eficiencia de los dispositivos”.
“La teoría que describe fenómenos físicos para optimizar parámetros (en cuanto a celdas de nanoalambres) es escasa; por eso este primer acercamiento matemático es importante, porque no se pueden dar soluciones analíticas como en las celdas planas; de hecho, uno de los parámetros utilizados se da en una relación de espacio-carga”, asegura el estudiante de maestría.
Matemáticas para entender los nanoalambres
Para adelantar la investigación se utilizó un diseño cuantitativo que permitió evaluar la relación existente entre las diferentes variables consideradas, como por ejemplo la absorción de la luz, la refracción (cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro) y la eficiencia. En primer lugar, se utilizó la ecuación diferencial de Poisson, utilizada en diferentes ámbitos, incluida la física.
Después aplicó ecuaciones trascendentes para considerar el espesor de las zonas que reciben la carga de luz. “Dichas ecuaciones son aquellas que para cuya solución no se utilizan valores comunes como sumas, restas, divisiones o multiplicaciones, sino que se basan en un análisis de analogías y lógicas para resolver la incógnita”, explica el físico.
“El estudio de esta relación se ejecutó mediante simulaciones con un programa desarrollado en Python que permite el análisis de nuestras variables en un amplio rango”, menciona.
En la investigación también participó el profesor Arturo Morales, del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (IPN) de México. Su aplicación se dio para semiconductores eléctricos de silicio e indio fósforo, pero el modelo desarrollado se puede aplicar con cualquier otro compuesto similar.
