El dispositivo se basa en un principio físico descubierto y demostrado por unos investigadores de la Universidad de Stanford. En su prototipo, la energía de la luz solar excita los electrones de un electrodo, y el calor del sol consigue que los electrones excitados salten a través del vacío al otro electrodo, generando así una corriente eléctrica. El dispositivo podría ser diseñado para enviar el calor residual a una máquina de vapor y convertir el 50 por ciento de la energía de la luz solar en electricidad--una gran mejora con respecto a las células solares convencionales.
Las células solares de silicio más comunes convierten alrededor del 15 por ciento de la energía de la luz solar en electricidad. Más de la mitad de la energía solar entrante se pierde en forma de calor. Esto se debe a que los materiales activos de las células solares pueden interactuar sólo con una banda en particular del espectro solar; los fotones por debajo de un cierto nivel de energía, simplemente calientan la célula.
Una forma de superar esto es apilar los materiales activos uno encima del otro en una celda multiunión que puede aprovechar un espectro más amplio de luz, transformándo una mayor cantidad de ella en corriente eléctrica en vez de calor, con lo que se llega a rendimientos de hasta el 40 por ciento. Sin embargo, estas células son complejas y caras de fabricar.
Buscando una mejor forma de aprovechar el calor del sol, Nicholas Melosh de Stanford se inspiró en los sistemas de cogeneración de alta eficiencia que utilizan la expansión de los gases de combustión para mover una turbina y el calor de la combustión para alimentar una máquina de vapor. Sin embargo, los convertidores de energía térmica no pueden combinarse con la instalación de dispositivos solares. Cuanto más calor hace, más eficientes es la conversión de energía térmica. Las células solares, en cambio, se vuelven menos eficaces, ya que se calientan. Cerca de los 100°C, una célula de silicio no funcionará bien; por encima de 200 ° C, no funcionará en absoluto.
El punto de inflexión se produjo cuando los investigadores de Stanford se dieron cuenta de que la luz de la radiación solar podría mejorar la conversión de la energía en otro tipo de dispositivo, llamado convertidor de energía termoiónica, que convencionalmente funciona únicamente por el calor. Los convertidores termoiónicos constan de dos electrodos separados por un pequeño espacio. Cuando el electrodo positivo, o cátodo, se calienta, los electrones del cátodo se excitan y saltan hacia el electrodo negativo, o ánodo, conduciendo una corriente a través de un circuito exte o. Estos dispositivos se han utilizado para alimentar los satélites rusos, pero no se les ha encontrado ninguna aplicación en la superficie porque deben estar muy calientes, a unos 1.500°C, para operar eficientemente. El cátodo de estos dispositivos suele ser de metales como el cesio.
nEl grupo de Melosh reemplazó el cátodo de cesio con una oblea de material semiconductor que puede hacer uso no sólo del calor, sino que también de la luz. Cuando la luz incide en el cátodo, ésta transmite su energía a los electrones del material de una manera similar a lo que ocurre en una célula solar. Este tipo de transferencia de energía no ocurría en los metales utilizados anteriormente para hacer estos cátodos, pero es típica de los materiales semiconductores. No se necesita mucho más calor para que estos electrones "preexcitados" salten al ánodo, por lo que este nuevo dispositivo puede operar a temperaturas más bajas que los convertidores termoiónicos convencionales, pero a temperaturas más altas que una célula solar.
Los investigadores de Stanford llaman a este nuevo mecanismo PETE, por las siglas en inglés de emisión termoiónica mejorada con fotones. "La luz ayuda a aumentar el nivel de energía de los electrones para que éstos fluyan", indica Gang Chen, profesor de ingeniería eléctrica del MIT. "Aún queda un largo camino hasta la obtención de un dispositivo práctico, pero este trabajo demuestra que es posible", añade él.
El prototipo del grupo de Stanford, descrito este mes en la revista Nature Materials, utiliza nitrito de galio como el semiconductor. A 200ºC convierte alrededor del 25 por ciento de la energía de la luz en electricidad, y la eficiencia aumenta con la temperatura. Stuart Licht, profesor de química de la Universidad George Washington, indica que el proceso tendría una “ventaja sobre las células solares" porque hace uso del calor, además de la luz. No obstante, advierte: "Se requerirá bastante trabajo adicional para traducir esto en un dispositivo práctico y más eficiente".
Actualmente, el grupo de Stanford está trabajando para hacer precisamente eso. Los investigadores están probando dispositivos fabricados con materiales mejor preparados para la conversión de energía solar, como el silicio y el arseniuro de galio. También están desarrollando nuevas maneras de tratar estos materiales con el fin de que el dispositivo funcione más eficientemente en un rango de temperatura de los 400ºC a los 600 ° C; para generar estas altas temperaturas a partir de la luz solar se usarían concentradores solares.
Incluso a altas temperaturas, el convertidor termoiónico mejorado con fotones generará más calor del que puede usar; Melosh señala que este calor puede ser acoplado a un motor de vapor para una eficiencia de conversión de energía solar a energía eléctrica superior al 50 por ciento. Estos sistemas tienden a ser demasiado complejos y caros para las instalaciones a pequeña escala de un tejado. Sin embargo, podría ser rentable para las grandes instalaciones solares de una finca, afirma Melosh, profesor de ciencia e ingeniería de los materiales. Él espera tener un dispositivo listo para el desarrollo comercial en tres años.