Las células solares convencionales basadas en silicio tienen un límite absoluto en la eficiencia general, basado en parte en el hecho de que cada fotón de luz solo puede liberar un solo electrón. Incluso si para hacerlo ese fotón transporta el doble de la energía necesaria.
En este contexto, investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) han ideado un método para hacer que los fotones de alta energía golpeen el silicio para expulsar dos electrones en lugar de uno. Abren así la puerta a un nuevo tipo de célula solar con mayor eficiencia de la que se creía posible.
Si bien las células de silicio convencionales tienen una eficiencia máxima teórica absoluta de alrededor del 29,1% de conversión de energía solar, el nuevo enfoque, desarrollado en los últimos años por investigadores del MIT y en otros centros, podría atravesar ese límite, lo que podría agregar varios puntos porcentuales a ese máximo.
Los resultados, publicados en Nature, se deben al trabajo de un equipo multidisciplinar de especialistas en química, ingeniería eléctrica y ciencias de la computación, entre los que figuran Markus Einzinger, Moungi Bawendi, Daniel Congreve y Marc Baldo del MITR y de la Universidad de Princeton.
Células solares de silicio, 40 años después
El concepto básico detrás de esta nueva tecnología se conoce desde hace décadas y la primera demostración de que el principio podría funcionar la realizaron algunos miembros de este equipo hace seis años.
Como recuerda Daniel Congreve, ex alumno del Rowland Institute, en la Universidad de Harvard, autor principal de ese informe anterior y coautor del estudio actual, con los nuevos resultados, «hemos hecho lo que nos propusimos hacer en aquel proyecto”.
El estudio original demostró la producción de dos electrones a partir de un fotón, pero lo hizo en una célula fotovoltaica orgánica, que es menos eficiente que una célula solar de silicio. No fue sencillo transferir los dos electrones de una capa de recolección superior hecha de tetraceno a la celda de silicio.
Troy Van Voorhis, profesor de química en el MIT que también formó parte de ese equipo original, señala que el concepto se propuso por primera vez en la década de los años setenta. “Solo fueron necesarios 40 años para convertir aquella idea en un dispositivo práctico», comenta con ironía.
Energía de un fotón en dos electrones
La clave para dividir la energía de un fotón en dos electrones reside en una clase de materiales llamados exciton. Según Baldo, en estos materiales «los paquetes de energía se propagan como los electrones en un circuito. Pero con propiedades bastante diferentes a los electrones. Puedes usarlos para cambiar la energía; puedes cortarlos por la mitad, puedes combinarlos«.
En este caso, pasaron por un proceso llamado fision exciton singlet, que es como cuando la energía de la luz se divide en dos haces independientes.
La parte complicada fue acoplar esa energía al silicio, un material no excitable. Este acoplamiento nunca se había logrado antes.
Las células de silicio reales aún no están al máximo de su potencial y tampoco lo está el nuevo material, por lo que se necesita más desarrollo. Lo que se ha demostrado ahora es que es posible acoplar dos materiales de forma eficiente.
Nuevos materiales para mejorar la eficiencia de las células solares
Con el nuevo sistema, esas celdas pueden ser más delgadas que las versiones actuales.
Otros enfoques para mejorar la eficiencia de las células solares tienden a añadir otro tipo de célula, como una capa de perovskita, sobre el silicio. La perovskita es una clase de material que comparte una estructura similar; muestra una gran cantidad de propiedades interesantes como la superconductividad y la magnetorresistencia, entre otras.
Los analistas consideran a estos materiales como el futuro de las células solares, ya que su estructura distintiva los hace perfectos para permitir la producción fotovoltaica eficiente y de bajo costo. También se predice que desempeñarán un papel en las baterías, sensores, láseres y tendrán un papel de primer orden en los vehículos eléctricos de próxima generación.
