Termofotovoltaica: una celda solar apuntada a un objeto caliente
La idea suena casi demasiado simple. Calentar algo hasta que brille, apuntarle una celda fotovoltaica y recoger electricidad. Sin piezas móviles, sin fluido de trabajo, sin turbina. Durante décadas la eficiencia fue demasiado pobre para resultar interesante, y en los últimos años dejó de serlo: las celdas de laboratorio superaron el 40 por ciento, lo que sitúa a un dispositivo sin piezas móviles en el rango de la turbomaquinaria industrial. Merece la pena entender por qué funciona ahora y por qué sigue necesitando algo caliente.
En qué se diferencia de una celda solar
Una celda solar convencional se optimiza para el espectro del Sol, con máximo en la luz visible. Una celda termofotovoltaica mira a un emisor a entre mil y dos mil quinientos kelvin, que radia sobre todo en el infrarrojo, así que su semiconductor se elige con una banda prohibida mucho menor, típicamente entre medio y tres cuartos de electronvoltio, frente a unos 1,1 del silicio.
La física de la absorción es el mismo proceso fotoeléctrico: un fotón con más energía que la banda prohibida promueve un electrón a través de ella, y la unión separa las cargas resultantes. Lo que cambia es el ajuste entre el espectro de la fuente y el absorbedor.
Hay una ventaja estructural que una celda solar no puede tener. El emisor está a pocos milímetros y forma parte del sistema, así que los fotones que la celda no puede usar no tienen por qué perderse. Un espejo tras la celda los devuelve directamente al emisor, donde se reabsorben y lo mantienen caliente.
Ese reciclado de fotones es el avance que cambió el campo. Los fotones por debajo de la banda prohibida son el canal de pérdida dominante en cualquier dispositivo TPV, y devolverlos a la fuente en lugar de convertirlos en calor residual es lo que llevó las eficiencias de los veinte a los cuarenta.
Para qué sirve
La aplicación más discutida es el almacenamiento térmico de energía para la red. La electricidad sobrante calienta un medio barato como grafito o silicio fundido a temperatura muy alta; cuando hace falta potencia, las celdas TPV reconvierten el calor almacenado en electricidad. El atractivo es que el medio de almacenamiento es barato y el convertidor no tiene piezas móviles, así que puede construirse a escalas donde las turbinas mecánicas resultan poco prácticas.
La recuperación de calor residual es una segunda área, pero más difícil: los gases industriales suelen estar mucho más fríos que la temperatura óptima del emisor, y la eficiencia TPV cae bruscamente al enfriarse este.
La potencia portátil y remota es una tercera. Un generador TPV que quema combustible es silencioso, no tiene piezas móviles y no necesita mantenimiento, lo que importa donde un pequeño motor resultaría inaceptable.
En el espacio, la TPV se ha considerado como sustituto de la conversión termoeléctrica de los generadores de radioisótopos, donde su mayor eficiencia significaría más potencia a partir de la misma cantidad de isótopo: una comparación directa con el enfoque térmico que trata nuestra página sobre betavoltaica, que se salta el calor por completo a escalas mucho menores.
El límite que no puede cruzar
La TPV es una máquina térmica. Toma calor de un foco caliente, convierte parte en trabajo y cede el resto a uno frío: la propia celda, que debe mantenerse fría. Su eficiencia está por tanto limitada por el límite de Carnot que fijan ambas temperaturas, y ninguna mejora de ingeniería lo sobrepasa.
Esto importa porque a veces se describe la radiación térmica a la ligera como fuente de energía ambiental, como si bastara apuntar una celda a una habitación y obtener potencia. No es posible. Una celda a temperatura ambiente frente a una habitación a la misma temperatura absorbe y emite radiación a igual ritmo, y el trabajo neto es exactamente cero.
No es una limitación de la tecnología actual: es la segunda ley, y nuestra página sobre energía libre expone por qué un cuerpo en equilibrio con su entorno no rinde trabajo por mucha radiación que lo atraviese. La TPV funciona precisamente porque alguien calentó antes el emisor.
Conviene retener la distinción porque separa dos afirmaciones que suenan parecidas. Convertir radiación de una fuente caliente es ingeniería establecida con récords de eficiencia en literatura revisada por pares. Extraer trabajo de radiación en equilibrio no es una versión más difícil del mismo problema: es otra afirmación, y está excluida. La investigación neutrinovoltaica es cuidadosa justo en este punto: su pregunta se refiere a fluctuaciones térmicas y radiación ambiental que impulsen corriente en un material diseñado, y cualquier versión honesta debe respetar el mismo límite.
Preguntas frecuentes
¿En qué se diferencia una celda TPV de un panel solar?
Usa un semiconductor de banda prohibida mucho menor, ajustado a la radiación infrarroja de un emisor a entre mil y dos mil quinientos kelvin en lugar del espectro visible del Sol. Además se sitúa cerca de su emisor, lo que permite devolver los fotones inaprovechables.
¿Qué eficiencia tiene?
Los dispositivos de laboratorio superan ya el 40 por ciento, comparable o mejor que las turbinas de vapor. La mejora vino sobre todo de reflejar hacia el emisor los fotones por debajo de la banda prohibida en lugar de perderlos.
¿Para qué se usa?
El almacenamiento térmico para la red es la aplicación más discutida, junto con la recuperación de calor residual, la potencia portátil sin piezas móviles y, potencialmente, como sustituto de la conversión termoeléctrica en sistemas espaciales.
¿Necesita algo caliente?
Sí, necesariamente. La TPV es una máquina térmica y requiere un salto de temperatura entre emisor y celda. Su eficiencia está limitada por el límite de Carnot que fijan esas dos temperaturas.
¿Puede captar radiación térmica ambiental?
No. Una celda a temperatura ambiente frente a un entorno a la misma temperatura absorbe y emite a igual ritmo, con trabajo neto exactamente nulo. Eso es la segunda ley, no una limitación de la tecnología actual.
