Las células solares fabricadas con puntos cuánticos de sulfuro de plomo podrían ofrecer a la larga una alternativa más barata y flexible a las fabricadas con silicio, pero actualmente son mucho menos eficientes. Sin embargo, modificar la composición química de las células solares de puntos cuánticos ofrece una forma de ajustarlas para alcanzar una mayor eficiencia, afirma Patrick R. Brown, estudiante de posgrado de física del MIT.
«En lugar de partir de una tecnología de alta eficiencia e intentar abaratarla, que es lo que hacemos ahora con el silicio, nuestro plan es empezar con algo que sabemos que podríamos fabricar a bajo costo y ver si podemos hacerlo más eficiente», explica Brown.
El sulfuro de plomo es abundante: se encuentra de forma natural en el mineral galena, y actualmente el mundo produce suficiente plomo y azufre en unas pocas semanas para fabricar células solares de sulfuro de plomo capaces de suministrar toda la electricidad que necesita el mundo, señala Brown. Otras alternativas al silicio, como el telururo de cadmio o el diseleniuro de cobre, indio y galio (CIGS), tienen la desventaja de utilizar materiales de partida más costosos y menos abundantes. Los puntos cuánticos de sulfuro de plomo tienen otra ventaja frente a otras tecnologías emergentes de células solares de película delgada, como los polímeros orgánicos y las perovskitas: son estables en el aire.
«Me centro en intentar averiguar qué parámetros debemos ajustar en este material para que nos permitan alcanzar una mayor eficiencia», afirma Brown.
Los ligandos alteran los niveles de energía
Los puntos cuánticos son semiconductores cristalinos a escala nanométrica cuyo intervalo de banda cambia con su tamaño. El intervalo de banda determina qué regiones del espectro solar —que contiene luz ultravioleta, visible e infrarroja— pueden absorber y convertir en electricidad las células solares de puntos cuánticos. En una investigación colaborativa reciente, Brown, el profesor del MIT Vladimir Bulović y otros cinco investigadores demostraron cómo la unión de distintas moléculas orgánicas, o ligandos, a la superficie de los puntos cuánticos puede modificar sus niveles de energía. Brown fabricó y estudió sus células solares de puntos cuánticos de sulfuro de plomo en el Laboratorio de Electrónica Orgánica y Nanoestructurada de Bulović.
Cuando la luz solar incide en un semiconductor de una célula solar, puede excitar un electrón y hacer que pase de su estado fundamental fuertemente ligado en la «banda de valencia» a estados menos ligados en la «banda de conducción», donde los electrones pueden moverse libremente y generar una corriente eléctrica. Brown estudió la influencia de distintos ligandos químicos en las energías del estado fundamental de los electrones en la banda de valencia de los puntos cuánticos. Mediante una técnica conocida como espectroscopia de fotoelectrones ultravioleta, en el laboratorio del profesor del MIT Marc A. Baldo, Brown midió las distintas propiedades electrónicas de películas de puntos cuánticos de sulfuro de plomo tratadas con 12 ligandos químicos diferentes. Los resultados muestran que estos ligandos de superficie actúan como diminutos dipolos eléctricos —el equivalente eléctrico del conocido imán de barra— y, por tanto, pueden influir en la energía de los electrones dentro de un punto cuántico.
Diseñar para lograr eficiencia
«En nuestro trabajo demostramos que, al cambiar los ligandos de superficie, se puede mantener igual el intervalo de banda y cambiar los niveles absolutos de energía», afirma Brown. La posibilidad de ajustar tanto el tamaño del punto cuántico como la química de su superficie puede orientar el diseño de células solares eficientes y, a la larga, de dispositivos multiunión que absorban una mayor parte del espectro solar. «Con esta capacidad para ajustar los niveles de energía de los puntos cuánticos cambiando los ligandos, podemos asegurarnos de que no haya barreras energéticas en nuestro dispositivo y de que los electrones tengan una trayectoria energética descendente para salir de él», explica Brown. «La capacidad de ajustar estas propiedades mediante procesos químicos tan sencillos es lo que distingue a estos materiales y los convierte en una opción única y prometedora para su uso en células solares», afirma Brown.
Brown y Donghun Kim, estudiante de posgrado de ciencia de materiales del MIT, fueron los autores principales conjuntos del artículo, «Modificación de los niveles de energía en películas delgadas de puntos cuánticos de sulfuro de plomo mediante intercambio de ligandos», publicado en ACS Nano en junio de 2014. Los otros coautores fueron los profesores del MIT Vladimir Bulović, Jeffrey C. Grossman y Moungi G. Bawendi, así como Richard R. Lunt, profesor adjunto de ingeniería química y ciencia de materiales de la Universidad Estatal de Michigan, y Ni Zhao, profesora adjunta de ingeniería electrónica de la Universidad China de Hong Kong. Brown, de 27 años, cursa su sexto año como estudiante de posgrado de física y espera obtener su doctorado durante 2015. Se licenció en física y química en la Universidad de Notre Dame. Brown es becario de la National Science Foundation y de la Fannie and John Hertz Foundation.
Kim utilizó simulaciones informáticas a escala atómica para modelar las interacciones de los ligandos químicos con la superficie de los puntos cuánticos. Estas simulaciones explicaron un resultado clave del estudio: demostraron que los distintos momentos de dipolo eléctrico de los ligandos son responsables de los cambios en los niveles de energía de los puntos cuánticos. «Independientemente de la forma en que un ligando específico se una a la superficie del punto cuántico, las simulaciones de Donghun mostraron un desplazamiento de los niveles de energía que coincidía con los desplazamientos que medíamos experimentalmente», afirma Brown.
Satisfacer la demanda mundial
Para cubrir una parte importante de la demanda energética mundial con energía fotovoltaica, habría que instalar decenas de miles de kilómetros cuadrados de células solares, afirma Brown. Las células solares de silicio son eficientes y se abaratan a medida que aumenta su producción, pero su fragilidad obliga a encapsularlas en marcos rígidos y relativamente pesados de aluminio y vidrio. «La idea clave de los puntos cuánticos es que, en lugar de partir de grandes cristales de silicio que hay que cortar en obleas individuales, empezamos con cristales diminutos, de unos 10 nanómetros de diámetro, que podemos disolver en una solución e imprimir como si fueran tinta. Así que, en vez de estar atados a estos sustratos rígidos de vidrio, a la larga podríamos imprimir o rociar nuestras células solares sobre sustratos flexibles, como se imprimiría un periódico», afirma Brown. «Esas son cosas que no se podrían hacer con una oblea de silicio».
Por supuesto, los puntos cuánticos también tienen desventajas, razón por la que esta tecnología aún no ha llegado al mercado. «A los electrones les cuesta más saltar entre puntos cuánticos que desplazarse por un cristal de silicio puro y uniforme. Aunque los materiales que usamos son muy baratos, la dificultad para transportar carga a través de ellos da lugar a una baja eficiencia de las células solares», afirma Brown. Por ejemplo, los electrones pueden quedar atrapados en las superficies de los puntos cuánticos. «Una de las cosas que queremos hacer es averiguar qué trucos químicos podemos aplicar en la superficie del punto cuántico para eliminar esos estados trampa», señala.
El objetivo a largo plazo de la investigación es aprovechar las propiedades electrónicas ajustables para fabricar células solares de puntos cuánticos de sulfuro de plomo más eficientes, flexibles y producibles a bajo costo, afirma Brown.
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde estas opiniones.
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Autor: Denis Paiste es redactor científico del Centro de Procesamiento de Materiales del Instituto de Tecnología de Massachusetts.
Imagen: Un prototipo de panel solar con seguimiento del sol, fabricado por Concentrix Solar, recoge energía en su emplazamiento de la Universidad de California. REUTERS/Mike Blake.
