Investigadores de la Universidad de Jaén, España, han fabricado un receptor fotovoltaico de baja concentración (LCPV) que incorpora un concentrador parabólico compuesto cruzado (CCPC) para mejorar el acoplamiento óptico bajo irradiancia láser estática pero inherentemente no uniforme.

El sistema está destinado a aplicaciones en transmisión inalámbrica de potencia láser (WPLT).

La WPLT ofrece un enfoque prometedor para entregar potencia a distancia sin conexiones físicas, particularmente para aplicaciones como sistemas autónomos, sensores remotos y plataformas aéreas. Sin embargo, su despliegue práctico está limitado por requisitos de alineación óptica, pérdidas atmosféricas, eficiencia de conversión, consideraciones de seguridad ocular y contra incendios, y los efectos de la irradiancia no uniforme o dinámica en los receptores fotovoltaicos.

Las oportunidades futuras radican en mejorar la eficiencia de conversión de láser a electricidad, desarrollar receptores con ángulos de aceptación más amplios y mejor tolerancia a la iluminación espacialmente variable, e integrar control adaptativo de haz y gestión de potencia. Estos avances podrían permitir una entrega de potencia inalámbrica de largo alcance más confiable y eficiente en aplicaciones donde las soluciones convencionales basadas en cables o baterías resultan impracticables.

Con esto en mente, los investigadores españoles desarrollaron y demostraron experimentalmente un receptor fotovoltaico de baja concentración de 3 × 3 que combina interconexiones de células optimizadas con óptica CCPC para mejorar la eficiencia de conversión de potencia y la tolerancia angular bajo iluminación láser no uniforme.

Descrito en el estudio "Desarrollo y caracterización experimental de un receptor fotovoltaico de baja concentración de silicio c-Si para transmisión inalámbrica de potencia láser (WLPT) bajo irradiancia no uniforme de 808 nm", publicado en Optic & Laser Technology, el sistema integra un arreglo de 3 × 3 de células de silicio monocristalino de 20 × 20 mm² con arquitectura de contacto posterior intercalado (IBC), siendo cada célula acoplada al CCPC que redirige la radiación incidente hacia las células mientras proporciona un amplio ángulo de aceptación bajo iluminación estática.

La geometría del CCPC fue optimizada con una apertura de entrada 2.5 veces el área de la célula, permitiendo una reducción del 60% en material semiconductor comparado con un receptor equivalente sin concentración. Los concentradores fueron fabricados a partir de polimetilmetacrilato (PMMA), seleccionado por su alta transmitancia óptica, propiedades dieléctricas favorables y facilidad de fabricación.

El receptor completo tiene una apertura frontal de 104 × 104 mm², incluyendo el marco de soporte, y una masa medida de 123 g.

Configuración experimental utilizada para la caracterización electroóptica

Los científicos evaluaron el desempeño óptico y eléctrico del sistema bajo iluminación láser monocromática de 808 nm utilizando un haz gaussiano de 1.523 W. Las mediciones I–V se realizaron con y sin los CCPC, mientras que las mediciones de respuesta espectral se utilizaron para cuantificar las pérdidas de absorción óptica introducidas por el material del concentrador.

La respuesta eléctrica de cada una de las nueve células fue medida en diferentes potencias e ángulos de incidencia para evaluar el acoplamiento óptico-eléctrico y los efectos de la iluminación no uniforme. Las pérdidas por desajuste fueron entonces calculadas para diferentes esquemas de interconexión en serie y paralelo comparando la potencia del módulo medida con la suma ideal de los máximos de potencia de cada célula individual.

Las mediciones eléctricas confirmaron que la corriente de cortocircuito fue la fuente dominante de variación célula a célula, variando de menos de 0.1 A en células periféricas a aproximadamente 0.45 A en la célula central a 5 W. Por el contrario, el voltaje de circuito abierto y el factor de llenado permanecieron relativamente estables, indicando que el desajuste de corriente es la limitación principal a nivel de módulo.

Los investigadores también encontraron que agrupar células según fotocorriente similar redujo significativamente estas pérdidas, con la arquitectura de interconexión en anillo produciendo casi la misma salida que la configuración ideal libre de desajuste. A 5 W, las pérdidas en anillo se mantuvieron por debajo del 3%, comparado con más del 58% para la configuración en serie y aproximadamente 6% para la configuración en paralelo.

Además, la configuración en anillo logró valores de eficiencia de conversión de potencia cercanos al 16.3% a 806 nm, comparado con 6.9% para interconexión en serie y 15.2% para paralelo, mientras que el óptimo teórico a 955 nm alcanzó 18.4%.

El equipo también explicó que el receptor también demostró tolerancia angular relativamente buena, con potencia máxima generalmente permaneciendo al 80–90% de su valor nominal a 30° de incidencia. Sin embargo, a 45°, la fotocorriente y la potencia máxima disminuyeron sustancialmente conforme el desplazamiento del haz excedió el área de recolección efectiva.

"En general, los resultados demuestran que estrategias efectivas de balanceo de corriente y esquemas de interconexión adaptados son esenciales para lograr recepción fotovoltaica de alto rendimiento impulsada por láser bajo condiciones de irradiación realistas", concluyeron los académicos. "En particular, cuando se emplean dispositivos semiconductores de alta eficiencia, la incorporación de elementos ópticos dedicados se convierte en un requisito fundamental de diseño que permite una reducción sustancial del área semiconductora activa mientras se preserva alta eficiencia de conversión y tolerancia angular."

Otros investigadores de la Universidad de Jaén desarrollaron recientemente un módulo de celda solar fotovoltaica de silicio cristalino semitransparente con concentradores ópticos en el lado trasero para aplicaciones de agrivoltaica. Para adaptarse a aplicaciones agrícolas, fue diseñado para equilibrar alta eficiencia y transparencia óptica con sombreado mínimo del panel.