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El equipo logró una eficiencia del 8,1% y una transparencia del 43,3% con un diseño orgánico, o basado en el carbono, en lugar del silicio convencional. Aunque las células tienen un ligero tinte verde, son mucho más parecidas al gris de las gafas de sol y las ventanillas de los automóviles.
«Las ventanas, que están en la fachada de todos los edificios, son un lugar ideal para las células solares orgánicas porque ofrecen algo que el silicio no puede ofrecer, que es una combinación de muy alta eficiencia y muy alta transparencia visible», dijo Stephen Forrest, el Peter A. Franken y Paul G. Goebel, que dirigió la investigación.
Los edificios con fachadas de cristal suelen tener un revestimiento que refleja y absorbe parte de la luz, tanto en la parte visible como en la infrarroja del espectro, para reducir la luminosidad y el calentamiento del interior. En lugar de desperdiciar esa energía, los paneles solares transparentes podrían utilizarla para reducir las necesidades de electricidad del edificio. La transparencia de algunas ventanas existentes es similar a la de las células solares que el grupo de Forrest publica en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.
«El nuevo material que desarrollamos, y la estructura del dispositivo que construimos, tenían que equilibrar múltiples compensaciones para proporcionar una buena absorción de la luz solar, un alto voltaje, una alta corriente, una baja resistencia y una transparencia neutra en cuanto al color, todo ello al mismo tiempo», dijo Yongxi Li, científico asistente de investigación en ingeniería eléctrica y ciencias de la computación.
El nuevo material es una combinación de moléculas orgánicas diseñadas para ser transparentes en el visible y absorbentes en el infrarrojo cercano, una parte invisible del espectro que representa gran parte de la energía de la luz solar. Además, los investigadores desarrollaron revestimientos ópticos para potenciar tanto la energía generada por la luz infrarroja como la transparencia en el rango visible, dos cualidades que suelen competir entre sí.
La versión de color neutro del dispositivo se fabricó con un electrodo de óxido de indio y estaño. Un electrodo de plata mejoró la eficiencia hasta el 10,8%, con una transparencia del 45,8%. Sin embargo, el tinte ligeramente verdoso de esa versión puede no ser aceptable en algunas aplicaciones para ventanas.
Las células solares transparentes se miden por su eficiencia de utilización de la luz, que describe cuánta energía de la luz que incide en la ventana está disponible como electricidad o como luz transmitida en el lado interior. Las anteriores células solares transparentes tienen una eficiencia de utilización de la luz de aproximadamente el 2-3%, pero la célula de óxido de indio y estaño tiene una eficiencia de utilización de la luz del 3,5% y la versión de plata tiene una eficiencia de utilización de la luz del 5%.
Ambas versiones pueden fabricarse a gran escala, utilizando materiales que son menos tóxicos que otras células solares transparentes. Las células solares orgánicas transparentes también pueden adaptarse a las latitudes locales, aprovechando el hecho de que son más eficientes cuando los rayos del sol inciden sobre ellas en un ángulo perpendicular. Pueden colocarse entre los cristales de las ventanas de doble acristalamiento..
Forrest y su equipo están trabajando en varias mejoras de la tecnología, con el próximo objetivo de alcanzar una eficiencia de utilización de la luz del 7% y ampliar la vida útil de la célula a unos 10 años. También están investigando la economía de la instalación de ventanas de células solares transparentes en edificios nuevos y existentes.
La investigación se publica en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias en el artículo «Color-Neutral, Semitransparent Organic Photovoltaics», de Forrest, Li y sus colegas Xia Guo, Zhengxing Peng, Boning Qu, Hongping Yan, Harald Ade y Maojie Zhang. El equipo incluye investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, la Universidad de Soochow (China) y el Laboratorio Nacional de Aceleración SLAC.
Este material se basa en un trabajo apoyado por la Oficina de Tecnologías de Energía Solar del Departamento de Estados Unidos, así como por la Oficina de Investigación Naval y Universal Display Corporation.
Forrest es también profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación, ciencia e ingeniería de los materiales y física.