Los científicos de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) están trabajando actualmente en un proyecto de investigación conjunto para generar más electricidad a partir de células solares y realizar más investigaciones sobre la llamada fisión singlete con el Centro de Investigación de Energía Solar Argonne-Northwestern (ANSER), La fisión singlete de EE. UU. Podría aumentar considerablemente la eficiencia de las células solares, y gracias a las últimas investigaciones, está un paso más cerca de ser posible. Los hallazgos han sido publicados en la revista científica Chem .
El consumo mundial de energía ha aumentado, y se prevé que la tendencia al alza continúe en los próximos años. En un intento por satisfacer la demanda y al mismo tiempo proteger el medio ambiente, electricidad de energía solar, viento, las fuentes de agua y biomasa están ganando importancia. Sin embargo, solo aproximadamente el 6 por ciento de la electricidad bruta producida en Alemania en 2017 provino de sistemas fotovoltaicos, y la tecnología basada en silicio de la que se dispone actualmente está alcanzando rápidamente sus límites en términos de potencial.
Las células solares son extremadamente ineficientes para convertir la energía solar en electricidad. Actualmente, su eficiencia es solo del 20 al 25 por ciento. Se requieren nuevos enfoques para aumentar significativamente el rendimiento de las células solares y generar más electricidad. La respuesta se puede encontrar en procesos físico-químicos que aumentan significativamente la eficiencia de las células solares. Los científicos de FAU y el Centro ANSER han estado explorando un enfoque prometedor como parte de su proyecto de investigación conjunto. Los investigadores investigaron el llamado mecanismo de fisión singlete (SF), en el que un fotón excita dos electrones.
El principio de la fisión singlete se descubrió hace aproximadamente 50 años, pero su potencial para aumentar significativamente la eficiencia de las células solares orgánicas solo fue reconocido por científicos en los EE. UU. hace unos 10 años. Desde entonces, Los investigadores de todo el mundo han estado trabajando para obtener una comprensión más detallada de los procesos fundamentales y los mecanismos complejos que se encuentran detrás. Junto con el Prof. Michael Wasielewski del Centro ANSER, los investigadores de FAU ahora han logrado aclarar algunos aspectos extraordinariamente significativos de SF.
Cuando un fotón de la luz solar se encuentra y es absorbido por una molécula, aumenta el nivel de energía de uno de los electrones de la molécula. Al absorber un fotón, una molécula orgánica se convierte así en un estado de mayor energía. La electricidad se puede generar dentro de las células solares a partir de esta energía, que se almacena temporalmente dentro de la molécula. El escenario óptimo en las células solares convencionales es que cada fotón genera un electrón como portador de la electricidad. Si, sin embargo, se utilizan dímeros de compuestos químicos seleccionados, dos electrones de moléculas vecinas se pueden convertir en un estado de mayor energía. En total, un fotón genera dos electrones excitados, que a su vez se puede utilizar para producir corriente eléctrica:dos están hechos de uno. Este proceso se conoce como fisión simple, y en el escenario ideal, puede aumentar considerablemente el rendimiento de las células solares. Los químicos y físicos de FAU y el Centro ANSER han investigado el mecanismo subyacente con más detalle, lo que lleva a una comprensión considerablemente más amplia del proceso de SF.
Como primer paso en su investigación, los científicos produjeron un dímero molecular a partir de dos unidades de pentaceno. Este hidrocarburo se considera un candidato prometedor para el uso de la fisión singlete en células solares. Luego expusieron el líquido a la luz y utilizaron varios métodos espectroscópicos para investigar los procesos fotofísicos dentro de la molécula.
Esto les dio a los investigadores tres conocimientos de gran alcance sobre el mecanismo detrás de la fisión singlete intramolecular. Primeramente, lograron demostrar que el acoplamiento a un estado de transferencia de carga superior es esencial para una SF altamente eficiente. En segundo lugar, Verificaron un modelo de fisión singlete que crearon y publicaron recientemente. En tercer lugar (y por último), demostraron que la eficiencia del SF se correlaciona claramente con la fuerza con la que se acoplan las dos subunidades de pentaceno.
Los hallazgos indican la importancia de planificar cuidadosamente el diseño de los materiales SF. Este es un hito importante en el camino hacia el uso de sistemas fotovoltaicos basados en SF para generar electricidad. Aún se requiere más investigación básica, sin embargo.
