por la Universidad de Kyushu: Los científicos han encontrado una manera de impulsar la eficiencia solar más allá del 100% multiplicando la energía de la luz solar utilizando un novedoso sistema molecular.
El enfoque podría allanar el camino para las tecnologías solares de próxima generación. Crédito: Shutterstock
La energía solar desempeña un papel importante en los esfuerzos por reducir la dependencia de los combustibles fósiles y abordar el cambio climático. El Sol entrega una inmensa cantidad de energía a la Tierra en cada momento, pero las células solares modernas capturan sólo una pequeña parte de ella. Esta limitación se debe a un “techo físico” de larga data que ha sido difícil de superar.
En una investigación publicada en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense El 25 de marzo, científicos de la Universidad de Kyushu en Japón, en colaboración con colaboradores de la Universidad Johannes Gutenberg (JGU) de Mainz en Alemania, desarrollaron una nueva forma de superar esta barrera. Utilizaron un complejo metálico a base de molibdeno conocido como emisor «spin-flip» para capturar la energía adicional generada a través de la fisión singlete (SF), a menudo descrita como una «tecnología de ensueño» para mejorar la conversión de la luz.
Con este enfoque, el equipo logró eficiencias de conversión de energía de alrededor del 130 %, superando el límite tradicional del 100 % y apuntando hacia tecnologías solares más avanzadas.
Cómo funcionan las células solares y por qué se pierde energía
Las células solares producen electricidad cuando los fotones de la luz solar golpean un semiconductor y transfieren energía a los electrones, poniéndolos en movimiento y creando una corriente eléctrica. Este proceso se puede comparar con un relé, donde la energía pasa de una partícula a otra.
Sin embargo, no todos los fotones son igualmente útiles. Los fotones infrarrojos de baja energía no tienen suficiente energía para activar los electrones, mientras que los fotones de alta energía, como la luz azul, pierden su energía extra en forma de calor. Debido a esto, las células solares sólo pueden utilizar alrededor de un tercio de la luz solar entrante. Esta restricción se conoce como límite de Shockley-Queisser y sigue siendo un desafío importante.
La fisión singlete ofrece una forma de multiplicar la energía
«Tenemos dos estrategias principales para superar este límite», afirma Yoichi Sasaki, profesor asociado de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Kyushu. «Uno es convertir fotones infrarrojos de menor energía en fotones visibles de mayor energía. El otro, lo que exploramos aquí, es utilizar SF para generar dos excitones a partir de un solo fotón excitón».
En condiciones normales, cada fotón produce sólo un excitón singlete de espín después de la excitación. Con SF, este único excitón puede dividirse en dos excitones tripletes de espín de menor energía, lo que efectivamente podría duplicar la energía disponible. Aunque ciertos materiales como el tetraceno pueden respaldar este proceso, capturar estos excitones de manera eficiente ha resultado difícil.
Superar la pérdida de energía de FRET
«La energía puede ‘robarse’ fácilmente mediante un mecanismo llamado transferencia de energía por resonancia de Förster (FRET) antes de que se produzca la multiplicación», explica Sasaki. «Por lo tanto, necesitábamos un aceptor de energía que capturara selectivamente los excitones tripletes multiplicados después de la fisión».
Para abordar este problema, los investigadores recurrieron a complejos metálicos, que pueden diseñarse con precisión. Identificaron un emisor «spin-flip» a base de molibdeno como una solución eficaz. En este sistema, un electrón cambia su espín durante la absorción o emisión de luz infrarroja cercana, lo que le permite capturar la energía triplete generada por el SF.
Al ajustar cuidadosamente los niveles de energía, el equipo minimizó las pérdidas de FRET y permitió una extracción eficiente de los excitones multiplicados.
Colaboración y éxito experimental
«Sin el grupo Heinze de la JGU Mainz no habríamos podido llegar hasta aquí», afirma Sasaki. Adrian Sauer, un estudiante de posgrado del grupo que visitó la Universidad de Kyushu en intercambio y segundo autor del artículo, llamó la atención del equipo sobre un material estudiado allí durante mucho tiempo, lo que condujo a la colaboración.
Cuando se combinó con materiales a base de tetraceno en solución, el sistema recolectó energía con éxito con rendimientos cuánticos de aproximadamente el 130%. Esto significa que se activaron aproximadamente 1,3 complejos metálicos a base de molibdeno por cada fotón absorbido, superando el límite habitual y demostrando que se produjeron más portadores de energía que fotones entrantes.
Aplicaciones futuras de la tecnología solar y cuántica
Esta investigación introduce una nueva estrategia para amplificar excitones, aunque todavía se encuentra en la etapa de prueba de concepto. El equipo tiene como objetivo integrar estos materiales en sistemas de estado sólido para mejorar la transferencia de energía y acercarse a aplicaciones prácticas de células solares.
Los hallazgos también podrían alentar nuevas investigaciones que combinen la fisión singlete y los complejos metálicos, con usos potenciales no sólo en la energía solar sino también en los LED y las tecnologías cuánticas emergentes.
