En cualquier célula solar convencional basada en silicio, hay un límite absoluto en la eficiencia general, basado en parte en el hecho de que cada fotón de luz solo puede soltar un solo electrón, incluso si ese fotón lleva el doble de energía necesaria para hacerlo. Pero ahora, Los investigadores han demostrado un método para hacer que los fotones de alta energía golpeen el silicio para expulsar dos electrones en lugar de uno. abriendo la puerta a un nuevo tipo de célula solar con mayor eficiencia de lo que se creía posible.

Mientras que las células de silicio convencionales tienen una eficiencia máxima teórica absoluta de aproximadamente 29,1 por ciento de conversión de energía solar, el nuevo enfoque, desarrollado en los últimos años por investigadores del MIT y otros lugares, podría atravesar ese límite, potencialmente agregando varios puntos porcentuales a esa producción máxima. Los resultados se describen hoy en la revista. Naturaleza , en un artículo del estudiante graduado Markus Einzinger, profesor de química Moungi Bawendi, profesor de ingeniería eléctrica e informática Marc Baldo, y otros ocho en el MIT y en 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 podría funcionar fue realizada por algunos miembros de este equipo hace seis años. Pero en realidad traduciendo el método a un completo, La célula solar de silicio operativa requirió años de arduo trabajo, Baldo dice.

Esa demostración inicial "fue una buena plataforma de prueba" para demostrar que la idea podía funcionar, explica Daniel Congreve Ph.D. '15, un alumno ahora en el Instituto Rowland en Harvard, quien fue el autor principal en ese informe anterior y es coautor del nuevo artículo. Ahora, con los nuevos resultados, "hicimos lo que nos propusimos" en ese proyecto, él dice.

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 celda solar de silicio. Resultó que transferir los dos electrones de una capa colectora superior hecha de tetraceno a la celda de silicio "no fue sencillo, "Baldo dice. Troy Van Voorhis, un profesor de química en el MIT que era parte de ese equipo original, señala que el concepto se propuso por primera vez en la década de 1970, y dice con ironía que convertir esa idea en un dispositivo práctico "solo tomó 40 años".

La clave para dividir la energía de un fotón en dos electrones radica en una clase de materiales que poseen "estados excitados" llamados excitones, Baldo dice:En estos materiales excitónicos, "estos paquetes de energía se propagan como los electrones en un circuito, "pero con propiedades bastante diferentes a las de los electrones". Puede usarlos para cambiar la energía; puede cortarlos por la mitad, puedes combinarlos ". En este caso, estaban pasando por un proceso llamado fisión de excitón singlete, que es como la energía de la luz se divide en dos separados, paquetes de energía que se mueven de forma independiente. El material primero absorbe un fotón, formando un excitón que rápidamente sufre fisión en dos estados excitados, cada uno con la mitad de la energía del estado original.

Pero la parte complicada fue acoplar esa energía en el silicio, un material que no es excitónico. Este acoplamiento nunca se había logrado antes.

Como paso intermedio, el equipo intentó acoplar la energía de la capa excitónica en un material llamado puntos cuánticos. "Todavía son excitónicos, pero son inorgánicos, "Dice Baldo." Eso funcionó; Funcionó a las mil maravillas, ", dice. Al comprender el mecanismo que tiene lugar en ese material, él dice, "No teníamos ninguna razón para pensar que el silicio no funcionaría".

Lo que mostró ese trabajo Van Voorhis dice:es que la clave de estas transferencias de energía radica en la misma superficie del material, no en su mayor parte. "Así que estaba claro que la química de la superficie del silicio iba a ser importante. Eso era lo que iba a determinar qué tipos de estados de superficie había". Ese enfoque en la química de la superficie puede haber sido lo que permitió a este equipo tener éxito donde otros no lo habían hecho. él sugiere.

La clave estaba en una fina capa intermedia. "Resulta tan pequeño, Una pequeña tira de material en la interfaz entre estos dos sistemas [la célula solar de silicio y la capa de tetraceno con sus propiedades excitónicas] terminó definiendo todo. Es por eso que otros investigadores no pudieron hacer que este proceso funcionara, y por qué finalmente lo hicimos. "Fue Einzinger" quien finalmente rompió esa nuez, " él dice, mediante el uso de una capa de un material llamado oxinitruro de hafnio.

La capa tiene solo unos pocos átomos de espesor, o solo 8 angstroms (diez mil millonésimas de metro), pero actuó como un "buen puente" para los estados emocionados, Baldo dice. Eso finalmente hizo posible que los fotones individuales de alta energía desencadenaran la liberación de dos electrones dentro de la celda de silicio. Eso produce una duplicación de la cantidad de energía producida por una determinada cantidad de luz solar en la parte azul y verde del espectro. En general, que podría producir un aumento en la energía producida por la célula solar, desde un máximo teórico del 29,1 por ciento, hasta un máximo de alrededor del 35 por ciento.

Las células de silicio reales aún no están en su máximo, y tampoco el nuevo material, por lo que se necesita hacer más desarrollo, pero ahora se ha demostrado el paso crucial de acoplar los dos materiales de manera eficiente. "Todavía necesitamos optimizar las células de silicio para este proceso, "Dice Baldo. Por un lado, con el nuevo sistema, esas celdas pueden ser más delgadas que las versiones actuales. También es necesario trabajar en la estabilización de los materiales para una mayor durabilidad. En general, Probablemente falten algunos años para las aplicaciones comerciales, dice el equipo.

Otros enfoques para mejorar la eficiencia de las células solares tienden a implicar la adición de otro tipo de célula, como una capa de perovskita, sobre el silicio. Baldo dice "están construyendo una celda encima de otra. Básicamente, estamos haciendo una celda, estamos como turboalimentando la celda de silicio. Estamos agregando más corriente al silicio, en lugar de hacer dos celdas ".

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 una carga adicional en la interfaz, que reduce las pérdidas mediante un proceso llamado pasivación de campo eléctrico. Si podemos establecer un mejor control sobre este fenómeno, las eficiencias pueden aumentar aún más ", dice Einzinger. Hasta ahora, ningún otro material que hayan probado puede igualar sus propiedades.