¿Se generará más electricidad usando una lente para enfocar la luz solar en las células solares?

Me he estado preguntando sobre esta pregunta durante bastante tiempo. Suponiendo un caso ideal, la energía de los fotones que golpean las células solares se convierte en energía eléctrica como se describe en la ecuación:

$RI^2t=W\equiv E=\hbar\nu$

donde es la frecuencia de los fotones. El uso de una lente no aumentará la frecuencia de los fotones, por lo que no se genera electricidad adicional.$\nu$

¿Estoy en lo cierto al pensar que las células solares no generarán electricidad adicional cuando se use una lente para enfocar la luz en ellas?

Tu ecuación es en parte correcta. Has calculado la energía por fotón ( ), pero has descuidado el número de fotones. Es por eso que las unidades no coinciden (el poder es energía por unidad de tiempo, mientras que solo tienes energía para cada fotón).$\hbar \nu$

La potencia ideal (energía por unidad de tiempo) depende del área del panel solar, , el número de fotones que lo golpean por unidad de tiempo ( Φ ) y la energía de cada fotón, E , de modo que W I d e a l = A p ⋅ Phi ⋅ E .$A_p$$\Phi$$E$$W_{Ideal} =A_p \cdot \Phi \cdot E$

Una lente o espejo puede enfocar la luz (un flujo de fotones) en un área pequeña. En condiciones realmente ideales, el área de la lente ( ) reemplazaría A p en la fórmula anterior. Entonces, si la lente es más grande que el panel solar, puede capturar un flujo más grande de fotones y dirigirlos al panel, aumentando la potencia.$A_L$$A_p$

Sí, aumentar la iluminación de una célula solar mediante el uso de lentes o espejos aumenta la salida de energía eléctrica.

Sin embargo, hay factores limitantes. La eficiencia de una célula solar disminuye con la temperatura. La corriente permanece aproximadamente proporcional al flujo de fotones, pero el voltaje de circuito abierto disminuye a medida que se calienta la unión de semiconductores. Aún así, más flujo produce más potencia, aunque no de forma lineal.

Continúe y la célula solar se calienta tanto que el semiconductor del que está hecha ya no actúa como un semiconductor. Eso es alrededor de 150 ° C para el silicio. Si puede mantener la celda fría, puede golpearla con un flujo de fotones más alto. Sin embargo, otros efectos no lineales comienzan a interferir y comienza a obtener rendimientos decrecientes a niveles de flujo altos.

Cuanto mayor sea la densidad de fotones a la frecuencia de interés, mayor será la potencia a medida que los fotones excitan los electrones del semiconductor a orbitales de mayor energía a la banda prohibida y más allá. Dicho esto, como dijo Olin, el aumento no es lineal. Finalmente, a medida que aumenta la temperatura, el aumento de la intensidad de los fotones resulta en incrementos cada vez menores en la potencia.

Mi sugerencia sería utilizar filtros de lentes y otros métodos para rechazar las longitudes de onda de los fotones que no son beneficiosas. Solo queremos los fotones de longitud de onda que están sintonizados para excitar los electrones a través de la banda prohibida para ese semiconductor en particular.

Cualquier fotón que no haga esto solo causa un aumento de la temperatura. Por lo tanto, desea aumentar la densidad de fotones incidentes de solo los fotones relevantes.

En realidad, puede enfriar los paneles solares mediante disipadores de calor de aluminio debajo de ellos que corren agua a través de ellos para fines de calentadores de agua. Vi tal configuración en una feria comercial. Fue por una empresa española pero no recuerdo el nombre. La configuración combinaba energía solar para electricidad y calentamiento de agua por convección.

Se descubrió una nueva forma de convertir la energía solar en la Universidad de Michigan. Por favor, consulte: https://phys.org/news/2011-04-solar-power-cells-hidden-magnetic.html

Utiliza el componente magnético de la luz que se manifiesta cuando la luz de alta intensidad atraviesa un material transparente pero no conductor de la electricidad, como el vidrio. La luz debe enfocarse a una intensidad de 10 millones de vatios por centímetro cuadrado. La luz del sol no es tan intensa por sí sola, pero se buscan nuevos materiales que funcionen a intensidades más bajas.

Su concentración de luz usando lentes y espejos tiene un potencial limitado para extraer más energía de la celda solar convencional, pero ciertamente aumentaría la energía eléctrica con este nuevo método.