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  • Recolectando luz con ojos artificiales de polilla

    Esta imagen muestra cómo funciona la «célula solar del ojo de la polilla»:con la ayuda de la luz solar, las moléculas de agua se dividen en oxígeno e hidrógeno. Crédito:Empa

    En todo el mundo, los investigadores están investigando células solares que imitan la fotosíntesis de las plantas, utilizando la luz solar y el agua para crear combustibles sintéticos como el hidrógeno. Los investigadores de Empa han desarrollado una célula fotoelectroquímica de este tipo, recreando el ojo de una polilla para aumentar drásticamente su eficiencia de recolección de luz. La celda está hecha de materias primas baratas:hierro y óxido de tungsteno.

    El óxido, el óxido de hierro, podría revolucionar la tecnología de las células solares. Esta sustancia generalmente no deseada se puede usar para fabricar fotoelectrodos que dividen el agua y generan hidrógeno. De este modo, la luz solar se convierte directamente en combustible valioso en lugar de utilizarse primero para generar electricidad. Desafortunadamente, como materia prima, el óxido de hierro tiene sus limitaciones. Aunque es increíblemente barato y absorbe la luz exactamente en la región de longitud de onda donde el sol emite la mayor cantidad de energía, Conduce muy mal la electricidad y, por lo tanto, debe usarse en forma de una película extremadamente delgada para que funcione la técnica de división del agua. La desventaja de esto es que estas películas delgadas absorben muy poca luz solar que incide sobre la celda.

    Microesferas para recoger la luz solar.

    Los investigadores de Empa Florent Boudoire y Artur Braun han logrado resolver este problema. Una microestructura especial en la superficie del fotoelectrodo recoge literalmente la luz solar y no la deja salir de nuevo. La base de esta innovadora estructura son pequeñas partículas de óxido de tungsteno que, por su color amarillo saturado, también se puede utilizar para fotoelectrodos. Las microesferas amarillas se aplican a un electrodo y luego se cubren con una capa de óxido de hierro a nanoescala extremadamente delgada. Cuando la luz externa incide sobre la partícula, se refleja internamente hacia adelante y hacia atrás, hasta que finalmente se absorbe toda la luz. Toda la energía del rayo está ahora disponible para dividir las moléculas de agua.

    En principio, la microestructura recién concebida funciona como el ojo de una polilla, explica Florent Boudoire. Los ojos de estas criaturas activas nocturnas necesitan recolectar la mayor cantidad de luz posible para ver en la oscuridad. y también deben reflexionar lo menos posible para evitar ser detectados y devorados por sus enemigos. La microestructura de sus ojos se adapta especialmente a la longitud de onda de luz adecuada. Las fotocélulas de Empa aprovechan el mismo efecto.

    Esta imagen muestra cómo se crea la «célula solar de ojo de polilla», y cómo recoge la luz. Crédito:Empa

    Para recrear ojos artificiales de polilla a partir de microesferas de óxido metálico, Florent Boudoire rocía una hoja de vidrio con una suspensión de partículas de plástico, cada uno de los cuales contiene en su centro una gota de solución de sal de tungsteno. Las partículas descansan sobre el vidrio como una capa de canicas empaquetadas unas cerca de otras. La hoja se coloca en un horno y se calienta, el material plástico se quema y cada gota de solución salina se transforma en la microesfera de óxido de tungsteno requerida. El siguiente paso es rociar la nueva estructura con una solución de sal de hierro y volver a calentarla en un horno.

    Florent Boudoire prueba el funcionamiento de su fotoelectrodo en un simulador de luz solar. Crédito:Empa

    Captura de luz simulada en la computadora

    Ahora, uno podría interpretar estas mezclas, procesos de rociado y quemado como pura alquimia:una serie de pasos que finalmente se logran por pura casualidad. Sin embargo, en paralelo a sus experimentos prácticos, los investigadores han estado ejecutando cálculos modelando el proceso en sus computadoras y así han podido simular la "captura de luz" en las esferas diminutas. Los resultados de la simulación concuerdan con las observaciones experimentales, como confirma el líder del proyecto Artur Braun. Es claro ver cuánto contribuye el óxido de tungsteno a la fotocorriente y cuánto se debe al óxido de hierro. También, cuanto más pequeñas son las microesferas, más luz cae sobre el óxido de hierro debajo de las pequeñas bolas. Como siguiente paso, los investigadores planean investigar cuál podría ser el efecto de varias capas de microesferas que se encuentran una encima de la otra. ¡El trabajo sobre las células solares del ojo de la polilla todavía está en progreso!


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