Nueva tecnología para fabricar células solares más eficientes

El sol proporciona energía más que suficiente para todas nuestras necesidades, si tan sólo pudiéramos aprovecharla de forma barata y eficiente. La energía solar podría proporcionar una alternativa limpia a los combustibles fósiles, pero el alto costo de las células solares ha sido un gran obstáculo para su uso generalizado.

Investigadores de Stanford han descubierto que añadiendo una sola capa de moléculas orgánicas a una célula solar pueden aumentar su eficacia tres veces, lo que podría conducir a fabricar paneles solares más baratos y eficientes. Sus resultados fueron publicados en línea en ACS Nano el pasado 7 de febrero.

El profesor de ingeniería química  Stacey Bent comenzó  a interesarse en un nuevo tipo de tecnología solar, hace dos años. Estas células solares usan minúsculas partículas de semiconductores llamados “puntos cuánticos”. Estas células solares son más baratas de producir que las tradicionales, ya que se pueden crear usando simples reacciones químicas. Pero a pesar de su prometedor comienzo, su eficacía quedaba muy por detrás de las células solares existentes en la actualidad.

“Me preguntaba si podríamos utilizar nuestros conocimientos de química para mejorar su eficiencia“, dijo Bent. Si eso se pudiera hacer, el costo de estas células solares se reduciría y esta tecnología podría adoptarse de modo masivo.

Bent discutió su investigación este pasado 20 de febrero, en la reunión anual de la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia en Washington, DC

En principio, los células de puntos cuánticos pueden alcanzar una eficiencia mucho mayor, asegura Bent, debido a una limitación fundamental de las células solares tradicionales.

Las células solares trabajan usando la energía del sol para excitar los electrones. Los electrones excitados saltan de un nivel de energía inferior a otro superior, dejando tras de sí un “hueco”, donde el electrón solía estar. Las células solares utilizan un semiconductor para dirigir un electrón en una dirección, y otro material para sacar el agujero en la otra dirección. Este flujo de electrones y agujeros en diferentes direcciones conduce a una corriente eléctrica.

Pero se necesita una cierta energía mínima para separar completamente el electrón de su agujero. La cantidad de energía requerida es específica de los diferentes materiales, lo que afecta al color o dicho en otras palabras, a la longitud de onda de la luz del material que mejor absorbe. El silicio se utiliza habitualmente para hacer células solares, porque la energía necesaria para excitar los electrones se corresponde estrechamente con la longitud de onda de la luz visible.

Pero las células solares hechas de un solo material tienen una eficiencia máxima de alrededor del 31 por ciento, lo que limita en un nivel fijo la energía que puede absorber.

Estas nuevas células de punto cuántico no comparten esta limitación y pueden, en teoría, ser mucho más eficientes. Los niveles de energía de los electrones en puntos cuánticos en semiconductores depende de su tamaño; cuanto más pequeño sea el punto cuántico, más mayor será la energía necesaria para excitar los electrones a un nivel superior.

Así que los puntos cuánticos pueden ajustarse para absorber una determinada longitud de onda de luz con sólo cambiar su tamaño. Y pueden ser utilizados para construir células solares más compleja que tienen más de un tamaño de punto cuántico, lo que les permite absorber múltiples longitudes de onda de la luz.

Debido a estas ventajas, Bent y sus estudiantes han estado investigando formas de mejorar la eficiencia de las células solares de puntos cuánticos, junto con el profesor Michael McGehee asociado del departamento de Ciencia de  Materiales e Ingeniería.

Los investigadores recubrieron un semiconductor compuesto de dióxido de titanio en su punto cuántico con una sola capa muy fina de moléculas orgánicas. Estas moléculas se auto-montan, lo que significa que sus interacciones les causó agruparse de una forma ordenada. Los puntos cuánticos estuvieron presentes en la interfaz de la capa orgánica y el semiconductor. Estudiantes de Bent provaron con varias moléculas orgánicas diferentes, en un intento de aprender qué es lo que aumenta la eficiencia de las células solares.

Pero se encontró con que la molécula exacta no importa – sólo con que tuviera una capa orgánica simple de menos de un nanómetro de espesor, era suficiente para triplicar la eficiencia de las células solares. “Nos sorprendió, pensamos que sería muy sensible a lo que colocaramos”, dijo Bent.

Pero el resultado tiene sentido a posteriori, y a los investigadores se les ocurrió un nuevo modelo que explica que es la longitud de la molécula, y no su naturaleza exacta, lo que importa. Las moléculas que son demasiado largas no permiten que los puntos cuánticos puedan interactuar bien con los semiconductores.

La teoría de Bent es que una vez que la energía del sol crea un electrón y un agujero, la capa orgánica fina ayuda a mantenerlos separados, evitando la recombinación y la pérdida de eficacia. El grupo todavía tiene que optimizar las células solares, que actualmente han alcanzado una eficiencia de, como máximo, un 0,4 por ciento. Pero se puede configurar  varios aspectos de la célula, y una vez hecho, el aumento de tres veces causado por la capa orgánica sería aún más significativo.

Bent sostiene  que el sulfuro de cadmio que utiliza actualmente no es lo ideal para este nuevo tipo de células solares, y el grupo tratará con diferentes materiales. También se realizarán pruebas con otras moléculas de capa orgánica, y podría cambiarse el diseño de la célula solar para tratar de absorber más luz y producir más carga eléctrica. Una vez Bent ha encontrado una manera de aumentar la eficiencia de las células de puntos cuánticos, espera que su costo sea más bajo y dará lugar a una mayor aceptación de la energía solar.

Enlace original: Standorfd researches develop new technology for cheaper, more efficents solar cells