El sol es la única fuente de energía renovable que podría, en principio, satisfacer fácilmente todas las necesidades energéticas del mundo. Con un 15% de eficiencia (ya disponible a partir de energía fotovoltaica y energía solar concentrada), el 0,5% de la superficie terrestre mundial (con irradiancia media) proporcionaría 20 teravatios de electricidad, más que el consumo total de energía actual.
La contribución de la energía solar, que proporcionó el 1% de la electricidad mundial en 2015, está aumentando muy rápidamente (en 2015 fue 33% más grande que en 2014 y casi ocho veces mayor que en 2010). Este rápido crecimiento está previsto que continúe, impulsado por la rápida caída del costo de FV. Según la IRENA, la capacidad instalada podría aumentar de 230 GW en 2015 a 1.760-2.500 GW en 2030. FV es dominante, aunque CSP (que aportó alrededor del 3% de la energía solar total en 2015) también está aumentando rápidamente: De acuerdo con el nuevo escenario de políticas de la Agencia Internacional de Energía (AIE), proporcionará alrededor del 10% de la energía solar en 2030 (aunque de acuerdo con AIE, la capacidad fotovoltaica ‘sólo habrá aumentado a 730 GW’).
IRENA informa que el coste medio global de la electricidad generada por el FV fue de $ 130 / MWh en 2013 (comparado con el LCOE promedio para el gas y el carbón en el rango de $ 50-100), pero los costos habían caído a $ (60 -100) / MWh para plantas fotovoltaicas encargadas en 2015 en partes de Europa, China, India, Sudáfrica y Estados Unidos.
La investigación continua puede reducir aún más los costos de generación fotovoltaica. Sin embargo, el despliegue a gran escala también requerirá mejoras en las redes eléctricas y / o almacenamiento de energía, y / o una mayor respuesta a la demanda, lo que aumentará los costos. Diseñar un mercado que ofrezca incentivos que produzcan la combinación óptima de estas medidas es un enorme desafío al que se está dirigiendo el Programa de Oxford Martin sobre Integración de Energías Renovables.
Investigación en Oxford
La energía solar significa la conversión directa de la luz solar en electricidad, calor o hidrógeno, todos los cuales se están desarrollando en Oxford como parte de la fotosíntesis fotovoltaica, artificial y la investigación solar térmica. Los trabajos sobre bioenergía (que también es de origen solar) se describen en la investigación sobre bioenergía.
Fotovoltaico
Fotovoltaica de Silicio
Más del 80% de la electricidad fotovoltaica (FV) se basa en silicio cristalino. Estas células solares actuales son relativamente intensivas en energía, dispositivos basados en obleas de aserrado de lingotes de cristal. Los científicos de materiales de Oxford están desarrollando técnicas para reducir costos y mejorar el desempeño de estas células, por ejemplo mediante el desarrollo de nuevas formas de reducir la recombinación en las superficies de silicio y controlando más efectivamente el efecto de las impurezas para que las células puedan ser más eficientes eléctricamente o mas económico.
Los investigadores están estudiando dos tipos principales de defectos: los defectos superficiales limitan el rendimiento de las células solares comerciales más eficaces, mientras que los defectos de granel están presentes en altas concentraciones en materias primas menos caras y reducen la eficiencia de los dispositivos que utilizan dichos materiales. En Oxford han desarrollado técnicas de pasivación superficial líderes en el mundo para dispositivos de alta eficiencia que permitirían la fabricación de dispositivos con eficiencias que se aproximan al 26%. También se está trabajando en la extracción y pasivación de defectos a granel para producir los dispositivos más rentables en materiales de silicio de bajo coste.
Células solares de perovskita
Película de peróxskita de haluro organometálico de 330 nm de espesor fabricada sobre una lámina de vidrio por deposición de vapor.
Un avance reciente del departamento de física de Oxford es el desarrollo de células solares basadas en la clase de material de las perovskitas. Las eficiencias han sido impulsadas hasta un 20% en un período de tiempo notablemente corto usando una arquitectura de celda simple (véase la tabla NREL y el estudio de caso sobre las perovskitas). Este trabajo está siendo comercializado por Oxford Photovoltaics (una empresa de innovación de Isis Innovation) que está planeando producir vidrio de color atractivo y semitransparente, que funciona como una célula solar y podría ser integrado en las fachadas de edificios y ventanas.
Células solares orgánicas e híbridas
Las células solares sensibilizadas por colorantes, una tecnología híbrida de células solares, imitan la fotosíntesis natural. En contraste con FV convencional, la “recolección de luz” y la “separación de carga” tienen lugar en diferentes materiales (adyacentes), el primero en un colorante semiconductor orgánico y el segundo en la superficie de una película nano-cristalina de dióxido de titanio. Los académicos de Oxford pretenden comprender mejor los procesos fotosintéticos y diseñar sistemas sintéticos con absorbentes biomiméticos, que imitan el rendimiento de los sistemas biológicos. Este trabajo es la clave para avanzar en la eficiencia de la célula sensibilizada por el colorante. Así, los físicos y químicos de Oxford desempeñan un papel principal en el desarrollo conjunto de materiales absorbentes y arquitecturas para células solares orgánicas e híbridas más eficientes.
Moléculas de colorante en solución excitada por luz láser
Los físicos de Oxford y los científicos de materiales también desarrollan procesos de fabricación de nuevos materiales y dispositivos orgánicos FV. Se están estudiando y desarrollando métodos de rodillo a rollo mediante los cuales estos materiales pueden depositarse sobre láminas de polímero flexibles, con el potencial de aumentar drásticamente las velocidades del proceso y reducir los costos del dispositivo.
Los científicos de Oxford están trabajando en maneras de reducir el costo de fabricar células fotovoltaicas robustas basadas en óxidos metálicos no tóxicos, que podrían surgir como otra nueva tecnología de película delgada.
Conceptos PV avanzados
Para mejorar aún más las eficiencias de la película delgada de una sola unión y las tecnologías cristalinas, los científicos de materiales de Oxford investigan la fotovoltaica de tercera generación. Las tecnologías incluyen dispositivos de múltiples empalmes y nuevas tecnologías cuánticas tales como portadores de calor y generación de múltiples excitones. También se está trabajando en dispositivos fotovoltaicos dotados de puntos cuánticos producidos por síntesis coloidal y epitaxia de haz molecular, mientras que los físicos de Oxford han trabajado en células termo-fotovoltaicas cristalinas que convierten la radiación térmica de cuerpos muy calientes directamente en electricidad.
Los matemáticos, los químicos y los científicos de materiales de Oxford apoyan este trabajo con cálculos del primero-principio de la estructura electrónica de materiales del FV; El desarrollo de modelos teóricos de los procesos fundamentales de captura de luz y transporte de energía y carga; Y modelando el transporte de energía y carga en dispositivos fotovoltaicos.
Fotossíntesis Artificial
Los químicos de Oxford forman parte de un creciente número de científicos pioneros de la fotossíntesis artificial (combustibles solares), en la que la luz solar se utiliza para producir hidrógeno a partir de agua o compuestos de carbono reducido de CO2 utilizando principios similares a los utilizados por las plantas verdes. Esto requiere un material de recolección (clorofila en plantas) que usa luz para separar cargas (electrones y agujeros) y dos catalizadores (enzimas en sistemas naturales) – uno usa los electrones para convertir el agua en hidrógeno (o una fuente concentrada de CO2 en CO O formiato), el otro apaga los agujeros convirtiendo el agua en oxígeno. Los retos son asegurar que el catalizador capte todos los electrones que necesita para completar la conversión química sin que se pierdan cargas y soportar robustez y escalabilidad. Las enzimas son los más eficientes de los catalizadores, y los químicos de Oxford están utilizando enzimas conectadas a semiconductores adecuados para establecer los principios para la captura eficiente de electrones y altas tasas de reacción que deben proporcionar los principios de diseño para futuros sistemas no biológicos.
La energía solar concentrada (CSP)
La concentración de luz solar mejora la eficiencia potencial de los sistemas térmico y fotovoltaico. Los físicos e ingenieros de Oxford han desarrollado un novedoso sistema para concentrar la luz solar (para el cual se han presentado patentes) basado en reflexiones sucesivas de dos espejos, que (en contraste con el espejo simple usualmente usado) tienen formas muy simples y son fáciles de fabricar. A pequeña escala, este sistema podría utilizarse para enfocar la luz sobre las células fotovoltaicas, lo que aumenta en gran medida la electricidad que una determinada zona de células puede producir. A mayor escala, podría utilizarse para producir electricidad mediante la conducción de un nuevo motor Stirling que los físicos e ingenieros de Oxford están desarrollando, que podría ser alimentado con calor de quema de biomasa cuando el sol no brilla. Actualmente, el objetivo principal es utilizar los dos sistemas de espejo como una fuente simple y barata de energía renovable para cocinar, lo que podría ayudar a reducir el 1,5 millones de muertes (principalmente de niños y mujeres en países en desarrollo) causadas cada año por la ingestión de partículas de humo generadas por la cocina al interior.
