La próxima revolución energética/The next energy revolution

Copyright Clemson University)

El consumo de energía sigue creciendo. Para que este aumento del consumo sea sostenible, deberán disminuir los costes de su generación y transmisión. Además, la generación no debería agotar los recursos, ni originar contaminación ni producir residuos y la transmisión también debería aumentar su eficiencia. Si se cumplieran estas premisas ideales, enriquecerían nuestras vidas independientemente de las diferencias económicas entre nosotros.
Una solución viable es la generación in situ de electricidad, utilizando el método fotovoltaico (FV) que convierte directamente la energía solar en energía eléctrica. El método FV utiliza dispositivos semiconductores denominados células solares. La continua disminución del coste de estos dispositivos, hace que el método FV sea la forma de generar corriente continua (DC) más prometedora a nivel mundial, tanto para ricos como para pobres. Debido a que se dispone de energía solar en todo el planeta, la generación FV no depende las habituales limitaciones geopolíticas. Por lo tanto, puede originar una revolución energética que, de igual manera que la revolución de la información, impulsada por Internet, está cambiando nuestro mundo en la actualidad.
Rajendra Singh (Universidad de Clemson) dice que, de acuerdo con su propia predicción de 1980, "la gran mayoría (~90%) de sistemas FV de más de 100 Gigavatios emplean paneles fotovoltaicos tradicionales fabricados con cristales de silicio (el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre)”. Debido su poca fiabilidad funcional y a la falta de perspectivas de rentabilidad económica, los sistemas FV basados en concentradores solares no han tenido un impacto significativo en todo el mundo. El uso de películas delgadas de semiconductores tales como el telururo de cadmio, cobre, silicio amorfo y arseniuro de cobre, indio y galio, no ha logrado un impacto comercial importante. Módulos FV con células solares orgánicas y sensibilizadas con colorante, no juegan aún un papel en la generación de energía, al no haberse producido avances fundamentales en la síntesis de materiales o en su rendimiento.
Para aumentar la eficiencia de las células solares de unión-simple más allá de sus limitaciones actuales, los científicos han propuesto varios enfoques nuevos. Estos enfoques se basan en conceptos tales como la generación de excitones múltiples, multiplicación de portadores, la huecos de banda intermedia, etc Sin embargo, después de aplicar criterios de fabricación para garantizar su viabilidad comercial, los son pesimistas sobre la eficacia de estos enfoques para la generación de energía.
El equipo del Dr. Singh ha propuesto una nueva arquitectura multi-unión multi-terminal para la generación de electricidad FV barata, con una eficiencia que superará al actual 25%. La arquitectura propuesta se basa en el uso de células solares cristalinas de silicio, comercializadas actualmente, y de células solares de película delgada de materiales, como el óxido de cobre, que abundan en la corteza terrestre. Se espera que esta combinación aumente la eficiencia, pero no se conocen los costes adicionales de manufacturado que conllevará.
Según el Dr. Singh dice que "la creación de redes locales DC, permitiría evitar las pérdidas energéticas que ocurren al convertir la DC en corriente alterna (AC) para su transporte, y a su vuelta a DC para su utilización"  La mayoría de los aparatos electrónicos y de los cargadores eléctricos funcionan con DC y la transmisión y la conversión DC a AC hace perder un 30% de la energía total generada.
Hoy día, la generación de electricidad FV y su distribución en una microrred DC es la mejor forma de proporcionar energía a localidades sin acceso a la electricidad. Es también la mejor opción para sustituir las envejecidas infraestructuras de generación y transmisión de electricidad en EE.UU. y en otros países desarrollados.

Energy consumption continues to grow. The costs of generation and transmission of energy must come down for the increased consumption to be sustainable. Energy must be generated without depleting resources, without causing pollution, and without incurring waste. Transmission of energy too must be efficient. These ideal goals, when realized, would enrich lives, regardless of economic distinction.
A viable solution is the onsite generation of electricity using the photovoltaic (PV) method of converting solar energy directly into electrical energy. The PV method uses semiconductor devices called solar cells. With constant reduction of the cost, this method is the most promising direct current (DC) power source for rich and poor globally. Due to the availability of solar energy all over the world, PV generation is not hostage to the usual geo-political constraints. Thus, it can power an energy revolution just like the information revolution powered by the internet continues to shape our world today.
Rajendra Singh (Clemson University) says that according to his prediction of 1980, "the vast majority (~90 %) of installed more than 100 Giga Watt PV systems employ traditional photovoltaic panels made of crystalline silicon (the second most abundant element in Earth's crust)”. Due to lack of functional reliability and the concomitant lack of economic bankability, PV systems employing solar concentrators have not made a significant impact worldwide. The use of thin films of semiconductors such as cadmium telluride, amorphous silicon and copper indium gallium arsenide is still to make a major commercial impact. PV modules comprising organic and dye-sensitized solar cells shall not play a role in bulk power generation, without fundamental breakthroughs in material synthesis and performance.
For increasing the efficiency of single-junction solar cells beyond the current limitations, several new approaches have been proposed by scientists. These approaches are based on concepts such as multiple exciton generation, carrier multiplication, intermediate band gap , etc. However, after applying manufacturing criteria to ensure commercial viability, the researchers became pessimistic about the efficacy of these approaches for bulk power generation.
A new multi-terminal multi-junction architecture for inexpensive PV electricity generation has been proposed by th Dr. Singh's research team. Efficiency will exceed the currently feasible 25%. The proposed architecture is based on the use of currently commercial Crystalline solar cells and thin-film solar cells made of materials (such as copper oxide) that are abundant in Earth's crust. Although this combination is expected to boost efficiency, the additional manufacturing costs to be incurred thereby remain unknown..
According to Dr. Singh "the creation of local DC power grids can save power being lost in the transmission and unnecessary conversion from DC to alternating current (AC) and then back to DC." Most electronic appliances and electric loads operate on DC and by transmitting and converting AC power to DC about 30% of the total power generated is lost.
Today, PV electricity generation and distribution on a DC microgrid is the best way to power villages without access to electricity. It is also the best option to replace aging power generation and transmission infrastructure in USA and other developed countries.

Tomado de/Taken from Science Daily
Resumen de la publicación/Abstract of the paper
Making Solar Cells a Reality in Every Home: Opportunities and Challenges for Photovoltaic Device Design
R. Singh, G.F. Alapatt and A. Lakhtakia
IEEE Journal of the Electron Devices Society, 2013;1(6):129
DOI: 10.1109/JEDS.2013.2280887
Abstract
Globally, the cumulative installed photovoltaic (PV) capacity has topped the 100-gigawatt (GW) milestone and is expected to reach 200 GW by the year 2015. More than 90% of the installed PV capacity employs bulk-silicon solar cells. Engineering problems that include thermal and optical challenges have not permitted the large-scale commercialization of concentration PV systems, lack of functional reliability—and the concomitant lack of economic bankability—being a major barrier. For increasing the efficiency of single-junction cells beyond the Shockley–Queisser limit, several approaches based on concepts such as multiple exciton generation, carrier multiplication, hot-carrier extraction, etc., have been proposed; however, these do not seem to be commercially viable. Since both bulk-silicon and thin-film (amorphous silicon, cadmium telluride, and copper indium gallium selenide) solar cells remain as the only two commercially viable options for terrestrial PV applications, a multi-terminal multi-junction architecture appears promising for inexpensive PV electricity generation with efficiency exceeding the currently feasible 25%. The architecture exploits the present commercial silicon solar cells along with abundant and ultra-low-cost materials such as CuO . With the availability of well-controlled manufacturing processes at the sub 2-nm length scale, it will become possible to manufacture ultra-high efficiency and ultra-low cost PV electricity generation modules based on silicon.