Ciencia

Crisis energética: la energía solar se prepara para un nuevo papel importante después de un gran avance en la eficiencia

En un nivel básico, las células solares o “fotovoltaicas” funcionan utilizando energía solar en forma de fotones para liberar electrones de los átomos de modo que puedan formar una corriente eléctrica. Las tecnologías de celdas solares convencionales se basan en el silicio semiconductor; sin embargo, décadas de investigación han acercado las celdas de silicio a su máxima eficiencia teórica. Esto significa que, para obtener más por su dinero cuando se trata de generar energía eléctrica a partir de cada vatio de radiación solar entrante, se necesita el uso de nuevos materiales absorbentes.

En su nuevo estudio, el ingeniero eléctrico profesor Thomas Riedl de la Universidad de Wuppertal en Alemania y sus colegas combinaron dos de estos materiales alternativos.

El primero fue un semiconductor orgánico, un material a base de carbono que puede conducir la electricidad en determinadas condiciones, que se combinó con una perovskita a base de plomo y halógeno que también tenía excelentes propiedades semiconductoras.

Una perovskita es cualquier material con una estructura cristalina que sigue la fórmula ABX₃, como el mineral del mismo nombre, que está hecho de titanato de calcio, CaTiO₃.

Ambos materiales utilizados, explicó el equipo, son menos intensivos en materiales y energía para producir que las células solares de silicio convencionales, lo que significa que el nuevo diseño de la célula podría producirse de manera más sostenible.

Diferentes materiales semiconductores absorben diferentes partes del espectro electromagnético.

Debido a esto, la combinación de dos materiales diferentes en una celda solar «tándem» como lo hicieron los investigadores permite que el dispositivo fotovoltaico completo absorba un mayor porcentaje de la radiación entrante y, por lo tanto, funcione de manera más eficiente.

En el diseño del Prof. Riedl y sus colegas, por ejemplo, los semiconductores orgánicos se usaron para absorber la luz en las partes ultravioleta y visible del espectro, mientras que la perovskita de plomo-halógeno funciona mejor en el infrarrojo cercano.

Si bien en el pasado se probaron combinaciones similares de materiales, el equipo pudo aumentar su eficiencia del 20 por ciento, medido en términos de la fracción de fotones convertidos en electrones, hasta un récord del 24 por ciento.

A modo de comparación, el récord mundial de eficiencia de células solares de cualquier diseño es del 47,1 por ciento, que se logró en 2019 en los EE. UU. utilizando las llamadas células solares de concentración de unión múltiple.

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En su artículo, el equipo escribió: «Se ha demostrado que nuestros dispositivos son las células en tándem orgánicas de perovskita monolíticas más eficientes logradas hasta ahora».

La autora del artículo y experta en semiconductores orgánicos, la Dra. Selina Olthof, de la Universidad de Colonia, agregó: “Para lograr una eficiencia tan alta, las pérdidas en las interfaces entre los materiales dentro de las células solares debían minimizarse.

«Para resolver este problema, el grupo de Wuppertal desarrolló una llamada interconexión que acopla la subcélula orgánica y la subcélula de perovskita de forma electrónica y óptica».

Esta interconexión se presentó en forma de una lámina de óxido de indio de solo 1,5 nanómetros de espesor, 60 000 veces más delgada que una sola hebra de cabello humano.

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El equipo dijo que pudieron optimizar el rendimiento de su nuevo diseño de celda solar mediante el estudio de las propiedades eléctricas y energéticas de las interfaces de interconexión y semiconductores.

Esto les permitió identificar y combatir las pérdidas de energía que, de lo contrario, podrían reducir la eficiencia de conversión de la celda.

Los investigadores agregaron que, según sus simulaciones, estos enfoques deberían permitirles en el futuro fabricar células solares en tándem que tengan eficiencias de conversión de energía de más del 30 por ciento.

Los hallazgos completos del estudio se publicaron en la revista Nature.

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