Células solares logran un avance del 130% en eficiencia energética

Las celdas solares desempeñan un papel crucial en la reducción de la dependencia de los combustibles fósiles y en la lucha contra el cambio climático. Cada momento, el Sol entrega una cantidad inmensa de energía a la Tierra, pero las celdas solares modernas solo logran captar una pequeña parte de esa energía. Esta limitación se debe a un "techo físico" que ha sido difícil de superar.

En una investigación publicada en el Journal of the American Chemical Society el 25 de marzo, científicos de la Universidad de Kyushu en Japón, en colaboración con colegas de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz en Alemania, desarrollaron una nueva forma de superar esta barrera. Utilizaron un complejo metálico a base de molibdeno conocido como emisor "spin-flip" para capturar y multiplicar la energía generada a través de la fisión de singletes (SF), una tecnología que se describe como un "sueño" para mejorar la conversión de luz.

Con este enfoque, el equipo logró eficiencias de conversión de energía de aproximadamente 130%, superando el límite tradicional del 100% y apuntando hacia tecnologías solares más avanzadas.

Funcionamiento de las celdas solares y pérdida de energía

Las celdas solares producen electricidad cuando los fotones de la luz solar impactan un semiconductor y transfieren energía a los electrones, poniéndolos en movimiento y generando una corriente eléctrica. Este proceso se puede comparar con un relevo, donde la energía se transfiere de una partícula a otra.

No obstante, no todos los fotones son igualmente útiles. Los fotones infrarrojos de baja energía no tienen suficiente energía para activar electrones, mientras que los fotones de alta energía, como la luz azul, pierden su energía extra como calor. Debido a esto, las celdas solares solo pueden aprovechar alrededor de un tercio de la luz solar entrante. Esta limitación se conoce como el límite de Shockley-Queisser y ha sido un desafío importante.

La fisión de singletes ofrece una forma de multiplicar energía

"Contamos con dos estrategias principales para romper este límite", comentó Yoichi Sasaki, profesor asociado de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Kyushu. "Una es convertir fotones infrarrojos de baja energía en fotones visibles de mayor energía. La otra, que exploramos aquí, es utilizar la SF para generar dos excitones a partir de un solo fotón excitón".

Bajo condiciones normales, cada fotón produce solo un excitón spin-singlete después de la excitación. Con la SF, este excitón único puede dividirse en dos excitones spin-triplete de menor energía, lo que podría duplicar efectivamente la energía disponible. Aunque ciertos materiales, como el tetraceno, pueden soportar este proceso, capturar estos excitones de manera eficiente ha demostrado ser complicado.

Superando la pérdida de energía por FRET

"La energía puede ser fácilmente 'robada' por un mecanismo llamado transferencia de energía de resonancia Förster (FRET) antes de que ocurra la multiplicación", explicó Sasaki. "Por lo tanto, necesitábamos un aceptor de energía que capturara selectivamente los excitones triplete multiplicados después de la fisión".

Para abordar este problema, los investigadores recurrieron a complejos metálicos, que pueden ser diseñados con precisión. Identificaron un emisor "spin-flip" a base de molibdeno como una solución efectiva. En este sistema, un electrón cambia su spin durante la absorción o emisión de luz infrarroja cercana, lo que le permite capturar la energía triplete generada por la SF.

Al ajustar cuidadosamente los niveles de energía, el equipo minimizó las pérdidas por FRET y facilitó la extracción eficiente de los excitones multiplicados.

Colaboración y éxito experimental

"No habríamos llegado a este punto sin el grupo de Heinze de la JGU Mainz", dijo Sasaki. Adrian Sauer, un estudiante de posgrado del grupo que visitó la Universidad de Kyushu en intercambio y segundo autor del artículo, llevó la atención del equipo a un material que se había estudiado durante mucho tiempo allí, lo que llevó a la colaboración.

Cuando se combinó con materiales a base de tetraceno en solución, el sistema cosechó con éxito energía con rendimientos cuánticos de aproximadamente 130%. Esto significa que aproximadamente 1.3 complejos metálicos a base de molibdeno se activaron por cada fotón absorbido, superando el límite habitual y demostrando que se produjeron más portadores de energía que fotones entrantes.

Aplicaciones futuras en tecnología solar y cuántica

Esta investigación introduce una nueva estrategia para amplificar excitones, aunque aún se encuentra en la etapa de prueba de concepto. El equipo tiene como objetivo integrar estos materiales en sistemas de estado sólido para mejorar la transferencia de energía y avanzar hacia aplicaciones prácticas de celdas solares.

Los hallazgos también podrían alentar investigaciones adicionales que combinen la fisión de singletes y complejos metálicos, con posibles usos no solo en energía solar, sino también en LED y tecnologías cuánticas emergentes.