Resumen de Multifunctional glasses and their application to photovoltaic technology
- español
El sol emite una cantidad de energía inmensa, más de 5000 veces la potencia que se consume en el planeta, que equivale aproximadamente a 4.4×1016 W. Esta radiación solar es el origen de la mayoría de las formas de energía conocemos hoy en día, tanto las fuentes renovables como los combustibles fósiles. En particular, la generación de electricidad directamente a partir de la energía solar, conocida como energía solar fotovoltaica (FV), es una tecnología de generación de energía renovable con gran potencial, ya que convierte directamente la radiación solar que llega a la Tierra en electricidad. Esta tecnología se fundamenta en el efecto fotovoltaico producido en materiales semiconductores. Cuando estos materiales absorben un fotón de una energía específica, son capaces de generar un par electrón-hueco, lo que da lugar a la generación de una corriente eléctrica. En este trabajo, se han desarrollado estructuras jerárquicas a micro- y nano-escala para abordar estos problemas presentes en el vidrio fotovoltaico: reflectancia, ensuciamiento, resistencia a la abrasión y aumento de temperatura. Las nanoestructuras, catalogadas como estructuras de sublongitud de ondas cónicas, actúan como una capa efectiva en la superficie del vidrio, eliminando la reflectancia de Fresnel. De esta manera, se ha reducido la reflectancia del vidrio de 7.1% (teniendo ambas superficies en cuenta) a un promedio del 1.0% promediado en el rango de 300 a 1100 nm. Además, debido a la aleatoriedad tanto en tamaño como en distribución de estas nanoestructuras, la propiedad antirreflectante se extrapola a ángulos de incidencia más grandes, mostrando una mejora del factor de modificación del ángulo de incidencia (IAM), aumentándolo de 0.80 a 0.88 a 80o de ángulo de incidencia de luz. Estas mejoras se traducen en un aumento de la eficiencia del módulo fotovoltaico del 3.5% medido en laboratorio, y un aumento de más del 5.1% en las condiciones más desfavorables al aire libre (día soleado de diciembre, a 66º de ángulo de incidencia de la luz). Además, los nanoconos aumentan la distancia promedio entre la superficie del vidrio y cualquier partícula de polvo o arena, reduciendo drásticamente las fuerzas de adherencia. En consecuencia, la tasa de ensuciamiento en los módulos fotovoltaicos se ha reducido en más del 50%. Por otra parte, debido a la naturaleza monolítica de las estructuras, su resistencia a la abrasión ha aumentado considerablemente en comparación con las soluciones comerciales, soportando más de 500 ciclos de abrasión con cepillo sin daños perceptibles. Por último, las microestructuras desarrolladas cumplen básicamente el mismo propósito que los nanoconos, actuando como estructuras antirreflectantes. Sin embargo, mientras que las nanoestructuras afectan a las regiones del ultra-violeta, visible e infrarrojo cercano, las microestructuras operan en el rango del infrarrojo medio, entre 8 y 13 μm. Es en este rango espectral donde el vidrio exhibe una resonancia tipo “fonón-polaritón”, que provoca un pico de reflectancia a 9 μm. Estas microestructuras reducen eficazmente esta reflectancia, aumentando la emisividad del vidrio desde 0.83 a 0.95 (el vidrio es opaco en este rango espectral). Al aumentar la emisividad, el calor producido por las células se disipa hacia el exterior, y gracias a la ventana atmosférica, situada entre 8 y 13 μm, este calor escapa a través de la atmósfera hacia el espacio exterior. Esto ayuda a reducir la temperatura de funcionamiento de los módulos fotovoltaicos en días soleados en más de 0.8ºC con disminuciones de hasta 2.5ºC. Esta reducción promedio de la temperatura de operación del módulo supondría una mejora relativa del 0.28% para un módulo con células tipo PERC.
- English
The sun provides more than 5000 times the power consumed on the planet, with over 4.4×1016 W. It is the original source of almost all the energy sources we know today, both renewable and fossil fuels. The production of electricity directly from solar energy, known as solar photovoltaic energy, is a renewable energy generation technology with great potential, as it directly converts the solar radiation reaching the Earth into electricity. Photovoltaic technology is based on the photovoltaic effect produced in semiconductor materials, whereupon absorbing a photon of specific energy, these materials are able to generate an electron-hole pair and create an electric current. In this work, hierarchical micro- and nano-scale structures have been developed to address these issues present in PV glass: reflectance, soiling, resistance to abrasion, and temperature increase. The nanostructures, categorized as conical subwavelength structures (SWS), act as an effective layer on the glass surface, minimizing Fresnel reflectance. In this way, glass reflectance has been reduced from 7.1% (taking into account both surfaces) to an average of 1.0% averaged across the range of 300 to 1100 nm. Moreover, as these cone-like nanostructures are random in size and distribution, the anti-reflective property is extrapolated to larger angles of incidence, showing an improved incidence angle modifier (IAM) factor, increasing it from 0.80 to 0.88 at 80o of the light angle of incidence. These enhancements are translated into an increase in PV module efficiency of 3.5% measured indoor, and an increase in more than 5.1% at the most unfavorable outdoor conditions (December sunny day, at 66º light angle of incidence). Additionally, the nanocones increase the average distance between the glass surface and any dust or sand particles, drastically reducing the adhesive forces. Consequently, the rate of soiling on the PV modules has been reduced by over 50%. Moreover, due to the monolithic nature of the structures, their resistance to abrasion has increased considerably with respect to comercial solutions, standing more than 500 brush abrasion cycles without noticeable damage. Lastly, the microstructures serve basically the same purpose as the nanocones, acting as anti-reflective structures in the mid infrared spectral region. While the nanostructures affect the UV, visible and near-infrared regions, the microstructures operate in the mid-infrared spectral range, between 8 and 13 μm, where the glass exhibits a resonance, which causes a reflectance peak at 9 μm. These microstructures effectively reduce this reflectance, thereby increasing the glass’s emissivity from 0.83 to 0.95 (the glass is opaque in this spectral range). By increasing the emissivity, the heat produced by the cells is dissipated to the exterior, and thanks to the atmospheric window presented between 8 and 13 μm, this heat escapes through the atmosphere to outer space. This decrease the operating temperature of PV modules on sunny days by more than 0.8ºC with 2.5ºC temperature reduction peaks. This temperature reduction can increase the energy efficiency of the passivate emitter and rear contact (PERC) PV module by 0.28%.
