A medida que los paneles solares se abaratan y son capaces de generar más energía, la energía solar se está convirtiendo en una fuente alternativa de electricidad más viable desde el punto de vista comercial. Sin embargo, las células fotovoltaicas que se utilizan actualmente para convertir la luz solar en electricidad solo pueden absorber y aprovechar una pequeña fracción de esa luz, lo que significa que una cantidad considerable de energía solar queda sin aprovechar.
Una nueva tecnología creada por investigadores de Caltech y descrita en un artículo publicado en línea en el número del 30 de octubre de Science Express representa un primer paso hacia el aprovechamiento de esa energía perdida.
La luz solar está compuesta por muchas longitudes de onda. En un panel solar tradicional, la luz solar incide sobre los átomos de silicio y los electrones más externos de esos átomos absorben energía de algunas de estas longitudes de onda, lo que hace que los electrones se exciten. Cuando los electrones excitados absorben suficiente energía para liberarse de los átomos de silicio, pueden fluir de forma independiente a través del material y producir electricidad. Esto se denomina efecto fotovoltaico, un fenómeno que ocurre en las células fotovoltaicas de un panel solar.
Aunque las células fotovoltaicas basadas en silicio pueden absorber longitudes de onda de luz del espectro visible —la luz que percibe el ojo humano—, las longitudes de onda más largas, como la luz infrarroja, atraviesan el silicio. Estas longitudes de onda pasan directamente a través del silicio y nunca se convierten en electricidad; en el caso de la luz infrarroja, normalmente se pierden como calor no deseado.
«El silicio absorbe solo una parte determinada del espectro y es transparente al resto. Si instalo un módulo fotovoltaico en mi tejado, el silicio absorbe esa parte del espectro y parte de esa luz se convierte en energía. Pero el resto simplemente acaba calentando mi tejado», afirma Harry A. Atwater, profesor Howard Hughes de Física Aplicada y Ciencia de los Materiales; director del Resnick Sustainability Institute, quien dirigió el estudio.
Ahora, Atwater y sus colegas han encontrado una forma de absorber y aprovechar estas ondas infrarrojas mediante una estructura compuesta no de silicio, sino enteramente de metal.
La nueva técnica que han desarrollado se basa en un fenómeno observado en estructuras metálicas conocido como resonancia de plasmones. Los plasmones son ondas coordinadas, u ondulaciones, de electrones que existen en las superficies de los metales, en el punto donde el metal entra en contacto con el aire.
Aunque las resonancias de los metales están determinadas por la naturaleza, Atwater y sus colegas descubrieron que es posible ajustarlas a otras longitudes de onda cuando los metales se transforman en diminutas nanoestructuras en el laboratorio.
«Normalmente, en un metal como la plata, el cobre o el oro, la densidad de electrones de ese metal es fija; es simplemente una propiedad del material», afirma Atwater. «Pero en el laboratorio puedo añadir electrones a los átomos de las nanoestructuras metálicas y cargarlas. Y, cuando lo hago, cambia la frecuencia de resonancia».
«Hemos demostrado que estas superficies metálicas excitadas por resonancia pueden generar un potencial», un efecto muy similar a frotar una varilla de vidrio con un trozo de piel: se depositan electrones sobre la varilla. «Se carga, o acumula una carga electrostática que puede descargarse en forma de una pequeña descarga», explica. «De manera similar, excitar estas nanoestructuras metálicas cerca de su resonancia las carga, generando un potencial electrostático que se puede medir».
Este potencial electrostático es un primer paso para generar electricidad, afirma Atwater. «Si logramos desarrollar una manera de producir una corriente constante, esto podría convertirse en una fuente de energía. Él imagina que algún día una célula solar que utilice el efecto plasmoeléctrico se combinará con células fotovoltaicas para aprovechar tanto la luz visible como la infrarroja y generar electricidad.
Aunque ese tipo de células solares aún pertenece al futuro, la nueva técnica ya podría incorporarse a nuevos tipos de sensores que detectan la luz basándose en el potencial electrostático.
«Como ocurre con todos estos inventos o descubrimientos, la trayectoria de esta tecnología es impredecible», afirma Atwater. «Pero cada vez que se demuestra un nuevo efecto para crear un sensor de luz, ese hallazgo casi siempre da lugar a algún tipo de producto nuevo».
Este trabajo se publicó en un artículo titulado «Plasmoelectric Potentials in Metal Nanostructures». Entre los demás coautores figuran el primer autor Matthew T. Sheldon, antiguo investigador posdoctoral en Caltech; Ana M. Brown, estudiante de posgrado en Física Aplicada en Caltech; y Jorik van de Groep y Albert Polman, del FOM Institute AMOLF en Ámsterdam. El estudio fue financiado por el Department of Energy, la Netherlands Organization for Scientific Research y una beca NSF Graduate Research Fellowship.
Publicado en colaboración con Calltech.
Autor: Jessica Stoller-Conrad es redactora científica del California Institute of Technology.
Imagen: Un trabajador inspecciona paneles solares en una instalación solar de Dunhuang, al noroeste de Lanzhou, provincia de Gansu, el 16 de septiembre de 2013. REUTERS/Carlos Barria.
