En cualquier célula solar convencional basada en silicio existe un límite absoluto de eficiencia global, debido en parte a que cada fotón de luz solo puede desprender un único electrón, incluso si ese fotón tiene el doble de la energía necesaria para hacerlo. Sin embargo, investigadores han demostrado ahora un método para que los fotones de alta energía que inciden sobre el silicio expulsen dos electrones en lugar de uno, lo que abre la puerta a un nuevo tipo de célula solar con una eficiencia mayor de la que se creía posible.
Mientras que las células de silicio convencionales tienen una eficiencia teórica máxima absoluta de alrededor del 29,1 por ciento de conversión de la energía solar, el nuevo enfoque, desarrollado a lo largo de los últimos años por investigadores del MIT y de otras instituciones, podría superar ese límite y añadir potencialmente varios puntos porcentuales a esa producción máxima. Los resultados se describen hoy en la revista Nature, en un artículo del estudiante de posgrado Markus Einzinger, el profesor de química Moungi Bawendi, el profesor de ingeniería eléctrica e informática Marc Baldo y otras ocho personas del MIT y de la Universidad de Princeton.
El concepto básico detrás de esta nueva tecnología se conoce desde hace décadas, y la primera demostración de que el principio podía funcionar la llevaron a cabo algunos miembros de este equipo hace seis años. Pero convertir realmente el método en una célula solar de silicio completa y operativa requirió años de duro trabajo, afirma Baldo.
Esa demostración inicial “fue una buena plataforma de prueba” para mostrar que la idea podía funcionar, explica Daniel Congreve, doctor por la Universidad de Harvard en 2015 (“PhD ’15”), exalumno que actualmente trabaja en el Rowland Institute de Harvard, quien fue el autor principal de aquel estudio previo y es coautor del nuevo artículo. Ahora, con los nuevos resultados, “hemos hecho lo que nos propusimos” en ese proyecto, afirma.
El estudio original demostró la producción de dos electrones a partir de un fotón, pero lo hizo en una célula fotovoltaica orgánica, que es menos eficiente que una célula solar de silicio. Resultó que transferir los dos electrones desde una capa colectora superior hecha de tetraceno a la célula de silicio “no fue sencillo”, afirma Baldo. Troy Van Voorhis, profesor de química en el MIT que formó parte del equipo original, señala que el concepto se propuso por primera vez en la década de 1970 y comenta con ironía que convertir esa idea en un dispositivo práctico “solo llevó 40 años”.
La clave para dividir la energía de un fotón en dos electrones reside en una clase de materiales que poseen “estados excitados” llamados excitones, explica Baldo: en estos materiales excitónicos, “estos paquetes de energía se propagan como los electrones en un circuito”, aunque con propiedades bastante diferentes a las de los electrones. “Puedes usarlos para cambiar la energía: puedes partirlos por la mitad, puedes combinarlos”. En este caso, estaban pasando por un proceso llamado fisión de excitones singlete, que es la manera en que la energía de la luz se divide en dos paquetes de energía separados que se mueven de forma independiente. El material primero absorbe un fotón, formando un excitón que se somete rápidamente a una fisión en dos estados excitados, cada uno con la mitad de la energía del estado original.
Pero la parte complicada fue entonces transferir esa energía al silicio, un material no excitónico. Este acoplamiento nunca se había logrado antes.
Como paso intermedio, el equipo intentó transferir la energía de la capa excitónica a un material llamado puntos cuánticos. “Siguen siendo excitónicos, pero son inorgánicos”, explica Baldo. “Funcionó; funcionó a la perfección”, afirma. Al comprender el mecanismo que tenía lugar en ese material, dice, “no teníamos motivos para pensar que el silicio no funcionaría”.
Lo que demostró ese trabajo, afirma Van Voorhis, es que la clave de estas transferencias de energía reside en la superficie misma del material, no en su interior. “Así que estaba claro que la química superficial del silicio iba a ser importante. Eso era lo que iba a determinar qué tipos de estados superficiales existían”. Ese enfoque en la química superficial pudo haber sido lo que permitió a este equipo tener éxito donde otros no lo lograron, sugiere.
La clave estaba en una capa intermedia delgada. “Resulta que esta franja de material, tan pequeña, en la interfaz entre estos dos sistemas [la célula solar de silicio y la capa de tetraceno con sus propiedades excitónicas] lo determinó todo. Es la razón por la que otros investigadores no lograron que este proceso funcionara, y por la que nosotros finalmente sí lo logramos”. Fue Einzinger quien “finalmente resolvió ese problema”, afirma, al utilizar una capa de un material llamado oxinitruro de hafnio.
La capa tiene solo unos pocos átomos de espesor, o apenas 8 angstrom (diezmilmillonésimas de metro), pero actuó como un “buen puente” para los estados excitados, explica Baldo. Esto hizo posible, por fin, que los fotones individuales de alta energía desencadenaran la liberación de dos electrones dentro de la célula de silicio. Esto produce una duplicación de la cantidad de energía generada por una determinada cantidad de luz solar en la parte azul y verde del espectro. En conjunto, esto podría aumentar la potencia producida por la célula solar: de un máximo teórico del 29,1 por ciento a un máximo de alrededor del 35 por ciento.
Las células de silicio reales aún no han alcanzado su máximo, y tampoco el nuevo material, por lo que aún queda trabajo de desarrollo por hacer, pero el paso crucial de acoplar eficientemente los dos materiales ya ha sido demostrado. “Todavía tenemos que optimizar las células de silicio para este proceso”, afirma Baldo. Por un lado, con el nuevo sistema, esas células pueden ser más delgadas que las versiones actuales. También es necesario trabajar en la estabilización de los materiales para garantizar su durabilidad. En conjunto, las aplicaciones comerciales probablemente aún estén a algunos años de distancia, afirma el equipo.
Otros enfoques para mejorar la eficiencia de las células solares tienden a implicar añadir otro tipo de célula, como una capa de perovskita, sobre el silicio. Baldo afirma que “están construyendo una célula sobre otra. Fundamentalmente, nosotros estamos fabricando una sola célula: estamos, en cierto modo, potenciando la célula de silicio. Estamos añadiendo más corriente al silicio, en lugar de fabricar dos células”.
Los investigadores han medido una propiedad especial del oxinitruro de hafnio que le ayuda a transferir la energía excitónica. “Sabemos que el oxinitruro de hafnio genera carga adicional en la interfaz, lo que reduce las pérdidas mediante un proceso llamado pasivación por campo eléctrico. Si logramos un mejor control sobre este fenómeno, las eficiencias podrían aumentar aún más”, afirma Einzinger. Hasta ahora, ningún otro material que hayan probado puede igualar sus propiedades.
La investigación contó con el apoyo del MIT Center for Excitonics, financiado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos.
