Phillip Greißel y Dominik Thiel investigan células solares especialmente eficientes
En la actualidad todavía quemamos grandes cantidades de combustibles fósiles, como petróleo o carbón, para satisfacer nuestras necesidades energéticas. Esto produce dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero, que actúa como una manta de lana cálida en la atmósfera. Es la razón principal por la que la temperatura en la Tierra aumenta año tras año. Si queremos frenar el cambio climático, debemos cambiar la forma en que producimos energía. Los sistemas fotovoltaicos, que utilizan la luz solar para generar electricidad, juegan un papel importante. Los químicos Phillip Greißel y Dominik Thiel de la Universidad Friedrich-Alexander Erlangen-Nuremberg (FAU) investigan cómo se puede optimizar este proceso. Sus resultados podrían contribuir al desarrollo de una nueva generación de células solares significativamente más eficientes que los modelos actuales. Hablamos con los científicos.
Señor Greißel, señor Thiel, las células solares actuales convierten como máximo una cuarta parte de la energía del sol en energía eléctrica. ¿Por qué su eficiencia es tan baja?
Dominik Thiel: Hay varias razones para esto. Una de ellas es que gran parte de la energía radiada se pierde en forma de calor. Para entender esto, primero es importante saber que las células solares están hechas de los llamados materiales semiconductores, como el silicio. Estos normalmente conducen muy mal la electricidad. Esto se debe a que no contienen portadores de carga que se muevan libremente, que son necesarios para el flujo de corriente. Los electrones que normalmente se utilizarían para este propósito son todos necesarios para los enlaces entre los átomos que forman la célula solar.
¿Y eso cambia cuando la luz llega a la célula?
Dominik Thiel: Correcto. Cuando una partícula de luz –un fotón– incide en un átomo semiconductor, puede excitar allí un electrón. El electrón entonces se libera y salta de la llamada banda de valencia a la llamada banda de conducción. Esto crea un voltaje eléctrico que puede utilizarse, por ejemplo, para impulsar un motor o hervir agua. Sin embargo, para que los electrones salten a la banda de conducción, necesitan una cierta energía de excitación mínima. De lo contrario, no podrán superar la llamada brecha de banda.
Si un fotón tiene muy poca energía, el empuje que da a los electrones es demasiado pequeño y la banda de conducción permanece vacía.
Phillip Greißel: Así es. La energía de la luz depende de su color: la luz roja, por ejemplo, tiene menos energía que la amarilla y la luz amarilla tiene menos energía que la azul. Supongamos que tienes una célula solar donde el intervalo de banda es tan grande que se necesita luz amarilla para superarlo. Entonces no puede utilizar la luz roja en absoluto porque su energía es demasiado baja. La luz de este color no genera ningún voltaje, independientemente de lo brillante que sea. Porque un mayor brillo sólo significa que hay más fotones “rojos”, no que su energía sea mayor. Y un fotón rojo simplemente no es suficiente para excitar un electrón. En este ejemplo, los fotones rojos prácticamente se perdieron.
Dominik Thiel: Sin embargo, un fotón “azul” es capaz de hacer esto. Incluso tiene más energía de la necesaria para saltar a través de la brecha de banda. Y este exceso de energía normalmente se libera en forma de calor. Este es el caso incluso si la luz es tan energética que teóricamente podría elevar dos electrones a través de la banda prohibida: sólo excita un electrón a la vez, y el exceso de energía se libera en forma de calor. Estas pérdidas garantizan que las células solares convencionales no puedan alcanzar una eficiencia superior al 33 por ciento, incluso en el caso óptimo. Esta es la máxima eficiencia teórica. Las células disponibles en el mercado hoy en día suelen tener un 22 por ciento, lo que es significativamente más bajo.
Sin embargo, existen enfoques que teóricamente podrían alcanzar el 45 por ciento. ¿Cómo son?
Phillip Greißel: Ese es exactamente el tema que estamos tratando en el grupo de trabajo del Prof. Dr. Dirk Guldi en la Cátedra de Química Física y bajo el paraguas del Centro de Perfiles Solares de la FAU. El objetivo es intentar aprovechar el exceso de energía para que un fotón de alta energía genere no sólo un portador de carga libre, sino dos. Este es un tema en el que están trabajando numerosos científicos de todo el mundo. La base es un método llamado “fisión singlete”: la división de un estado excitado de electrones de alta energía en dos estados excitados de electrones menos energéticos. Para ello es necesario que estos dos nuevos estados de excitación se estabilicen para poder trabajar con ellos y generar en última instancia portadores de carga libres. Para ello utilizamos determinadas moléculas y ya hemos conseguido resultados prometedores.
¿Qué moléculas se utilizaron?
Dominik Thiel: En nuestro último estudio, utilizamos un compuesto de seis moléculas idénticas, un llamado hexámero. Por un lado, esto nos permitió garantizar que los dos estados excitados de menor energía se formaran muy rápidamente. Además, debido a la estructura del hexámero, pudieron separarse espacialmente moviéndose a diferentes partes del compuesto a través de la difusión. Esta separación los hace significativamente más estables. De hecho, los dos objetivos de “educación rápida” y “gran estabilidad” se contradicen. Pero ambos son importantes si queremos utilizar la luz de alta energía de manera eficiente para generar portadores de carga libres.
¿Cómo saber qué conexiones son adecuadas? Probablemente no utilices el método de prueba y error, ¿verdad?
Dominik Thiel: No, eso no. Por un lado, trabajamos junto con colegas de la química teórica. A partir de nuestras especificaciones, calculan, por ejemplo, qué aspecto deben tener las moléculas para sufrir una fisión singlete después de ser excitadas por luz de una determinada energía. Con estos resultados, pedimos a los grupos de química orgánica que sinteticen las moléculas correspondientes. Si la síntesis tuvo éxito, probamos los compuestos e intentamos comprender mejor su comportamiento para luego optimizarlos aún más, siempre en colaboración con los teóricos.
Phillip Greißel: Ese es también un aspecto que a ambos nos parece fascinante: la interacción de diferentes disciplinas químicas para finalmente tener en nuestras manos una molécula que tenga exactamente las propiedades que esperamos de ella. Cuando esto funciona, es muy satisfactorio, especialmente cuando se trata de una tarea tan relevante como nuestra futura producción de energía.
¿Cuándo estará disponible la primera célula solar basada en sus compuestos?
Phillip Greißel: Ciertamente no en el corto plazo; Ésta es todavía una investigación básica. Para crear una célula solar real, también necesitaríamos combinar nuestros compuestos con un semiconductor que coincida con ellos. Sin embargo, nuestras moléculas sólo armonizan con materiales semiconductores muy específicos y exóticos. Sin embargo, su principio funcional puede transferirse sin duda a otros compuestos, que tal vez podrían emplearse en células solares de silicio convencionales. Además, nuestros colegas han demostrado recientemente que nuestras moléculas de fisión singlete pueden realmente convertir la luz en energía eléctrica a escala de laboratorio. Pero aún queda un largo camino por recorrer hasta llegar al mercado masivo.
¿Qué sigue para ambos?
Dominik Thiel: Estoy a punto de terminar mi doctorado y hace tiempo que estoy pensando si debería seguir una carrera académica después. Finalmente, decidí que prefería trabajar en el departamento de investigación y desarrollo de una empresa porque me interesa estar cerca de las aplicaciones. También sería emocionante trabajar en un instituto de investigación cerca de la industria; Ese sería el puente entre ambos mundos.
Phillip Greißel: Me gustaría seguir en el campo de la ciencia, preferiblemente en el campo de las energías renovables. Pero también estoy abierto a otros temas. Afortunadamente, la química es un tema muy diverso; Esa es una de las cosas que más me gusta de esto. Sin embargo, actualmente me interesa especialmente la cuestión de cómo reaccionan las moléculas a la luz, también debido a los métodos ópticos láser sumamente interesantes que utilizamos para estudiar nuestros compuestos. FAU News. Traducido al español
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