Este artículo se publica en colaboración con MIT News.
Investigadores del MIT y de otras instituciones han descubierto una forma de aumentar significativamente la energía que puede aprovecharse de la luz solar, un hallazgo que podría dar lugar a mejores células solares o detectores de luz.
El nuevo enfoque se basa en el descubrimiento de que efectos cuánticos inesperados aumentan el número de portadores de carga —conocidos como electrones y «huecos»— que se desprenden cuando fotones de luz de distintas longitudes de onda inciden sobre una superficie metálica recubierta con una clase especial de materiales de óxido conocidos como dieléctricos de alto índice. Los fotones generan lo que se conoce como plasmones superficiales: una nube de electrones oscilantes que tiene la misma frecuencia que los fotones absorbidos
El sorprendente hallazgo se publica esta semana en la revista Physical Review Letters por autores que incluyen a Nicholas Fang, profesor asociado de ingeniería mecánica del MIT, y al posdoctorado Dafei Jin. Los investigadores utilizaron una lámina de plata recubierta con un óxido, que convierte la energía luminosa en polarización de los átomos en la interfaz.
«Nuestro estudio revela un hecho sorprendente: la absorción de la luz visible está directamente controlada por cuánto se extienden los electrones a través de la interfaz entre el metal y el dieléctrico», afirma Fang. La intensidad del efecto, añade, depende directamente de la constante dieléctrica del material, una medida de lo bien que bloquea el paso de la corriente eléctrica y convierte esa energía en polarización.
«En estudios anteriores», afirma Fang, «esto era algo que se pasaba por alto».
Los experimentos previos que mostraban una producción elevada de electrones en estos materiales se habían atribuido a defectos de los materiales. Pero Fang afirma que esas explicaciones «no bastaban para explicar por qué observamos una absorción de banda ancha tan intensa en una capa tan delgada» de material. Sin embargo, afirma, los experimentos del equipo respaldan los nuevos efectos de base cuántica como explicación de la fuerte interacción.
El equipo descubrió que, al variar la composición y el grosor de la capa de materiales dieléctricos (como óxido de aluminio, óxido de hafnio y óxido de titanio) depositada sobre la superficie metálica, podían controlar cuánta energía pasaba de los fotones incidentes a la generación de pares de electrones y huecos en el metal, una medida de la eficiencia del sistema para captar la energía de la luz. Además, según afirman, el sistema permitía absorber una amplia gama de longitudes de onda, o colores, de luz.
Según Fang, el fenómeno debería ser relativamente fácil de aprovechar para dispositivos útiles, porque los materiales implicados ya se utilizan ampliamente a escala industrial. «Los materiales de óxido son exactamente los que se emplean para fabricar mejores transistores», afirma; estos podrían aprovecharse ahora para producir mejores células solares y fotodetectores ultrarrápidos.
«La adición de una capa dieléctrica es sorprendentemente eficaz» para mejorar la eficiencia del aprovechamiento de la luz, afirma Fang. Y dado que las células solares basadas en este principio serían muy delgadas, añade, utilizarían menos material que las células convencionales de silicio.
Gracias a su respuesta de banda ancha, afirma Fang, estos sistemas también responden mucho más rápido a la luz incidente: «Podríamos recibir o detectar señales en un pulso más corto» de lo que pueden captar los fotodetectores actuales, explica. Esto podría incluso dar lugar a nuevos sistemas de «li-fi», sugiere, que utilizan la luz para enviar y recibir datos a alta velocidad.
N. Asger Mortensen, profesor de la Universidad Técnica de Dinamarca que no participó en este trabajo, afirma que este hallazgo «tiene profundas implicaciones para nuestra comprensión de la plasmónica cuántica. El trabajo del MIT precisa… cómo los plasmones están sujetos a una desintegración intensificada en pares electrón-hueco cerca de la superficie de un metal».
«Estudiar estos efectos cuánticos es muy complejo tanto desde el punto de vista teórico como experimental, y este descubrimiento de una absorción intensificada basada en correcciones cuánticas representa un avance importante», añade Maiken Mikkelsen, profesora adjunta de física en
la Universidad de Duke, que tampoco participó en este trabajo. «Creo que no cabe duda de que aprovechar las propiedades cuánticas de los nanomateriales está destinado a generar avances tecnológicos futuros.»
El equipo también incluyó al posdoctorado Qing Hu y a la estudiante de posgrado Yingyi Yang, del MIT; a Daniel Neuhauser, de la Universidad de California en Los Ángeles; a Felix von Cube y David Bell, de la Universidad de Harvard; a Ritesh Sachan, del Laboratorio Nacional de Oak Ridge; y a Ting Luk, de los Laboratorios Nacionales Sandia. El trabajo contó con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias y de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.
La publicación no implica el respaldo de las opiniones del Foro Económico Mundial.
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Autor: David L. Chandler trabaja en la Oficina de Noticias del MIT.
Imagen: Una región activa del sol emitiendo una llamarada solar de intensidad media. REUTERS/NASA/SDO/Handout vía Reuters.
