Tesis doctoral de David Hernández García
Uno de los límites fundamentales que afecta a la eficiencia de conversión en células fotovoltaicas es la distribución espectral de la radiación solar. Por un lado, solamente aquellos fotones con energía superior al gap del semiconductor pueden convertirse en electricidad en la célula. Los fotones de baja energía no generan pares electrón-hueco. Por otro lado, el exceso de energía de los portadores generados por fotones de muy alta energía se pierde rápidamente por termalización en el propio dispositivo. Estos fotones de alta energía no generan una mayor energía eléctrica, por lo que el exceso de energía óptica se pierde. para superar esta limitación, la investigación se ha centrado mayormente en mejorar la conversión directa de fotones de alta y baja energía mediante, por ejemplo, el uso de up- y down-converters. Una alternativa menos estudiada consiste en adaptar la radiación solar al dispositivo como paso intermedio a la conversión. Esta adaptación se realiza mediante el uso de emisores selectivos ópticamente adaptados al semiconductor. Un emisor selectivo es un material cuya emisión térmica ocupa una banda espectral estrecha, en vez de emitir en todo el espectro frecuencial. Estos emisores son una alternativa eficiente para alcanzar elevadas conversiones, trabajando a temperaturas alrededor de los 1500 k, ya que un material calentado por el sol, u otra fuente de energía, puede reemitir luz con una distribución espectral mucho más adecuada al dispositivo fotovoltaico. Este modo de operación se conoce como conversión de energía termofotovoltaica. en la naturaleza existen materiales capaces de comportarse como un emisor selectivo. Los óxidos de tierras raras representan un interesante campo de investigación. Estos óxidos tienen una emisión térmica muy baja en todo el espectro excepto a ciertas frecuencias. Estas frecuencias de emisión son únicas y selectivas y provienen de resonancias en la estructura cristalina del material. La desventaja en su utilización radica en que la posición espectral de estos picos de emisión, propios del material y su estructura, no puede ser controlada. Además, estas bandas de emisión son relativamente estrechas, dando lugar a una baja densidad de potencia radiada. Por lo tanto, existe la necesidad de trabajar con materiales cuya banda de emisión selectiva pueda ser diseñada y controlada convenientemente. La solución la encontramos en el uso de cristales fotónicos (materiales artificiales con propiedades ópticas que no existen en la naturaleza). Aunque su fabricación presenta muchos retos, estos cristales artificiales permiten el control de la emisión espontánea, suprimiéndola o potenciándola en la banda frecuencial que interese. Existen varias interacciones que permiten este control: el efecto de banda prohibida, la interacción por plasmones o fonones, o el efecto de microcavidad. Todos ellos permiten modificar el espectro de emisión térmica de un material. la presente tesis doctoral está dedicada al estudio de las propiedades de emisión térmica, y estabilidad térmica, de emisores selectivos basados en cristales fotónicos. Se han analizado varias estructuras: cristales fotónicos basados en silicio macroporoso, cuasi-cristales fotónicos y microcavidades metálicas. También, en colaboración con otros grupos de investigación, se han analizado las propiedades térmicas de cristales coloidales. En el presente trabajo se muestra que los cristales y cuasi-cristales basados en silicio macroporoso pueden inhibir eficientemente la radiación térmica de manera controlable, siendo además estables a alta temperatura hasta los 1500 k. Respecto a los cristales metálicos, el estudio realizado muestra su alta selectividad espectral, aunque estos emisores deben trabajar a temperaturas inferiores a los 1100 k para garantizar su estabilidad estructural y óptica.
Datos académicos de la tesis doctoral «Selective thermal emitters based on photonic crystals«
- Título de la tesis: Selective thermal emitters based on photonic crystals
- Autor: David Hernández García
- Universidad: Politécnica de catalunya
- Fecha de lectura de la tesis: 23/10/2014
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- Ramón Alcubilla González
- Tribunal
- Presidente del tribunal: Luis Castañer muñoz
- alejandro Datas medina (vocal)
- (vocal)
- (vocal)