Un tipo de semiconductor relativamente nuevo, en capas sobre una estructura similar a un espejo, puede imitar la forma en que las hojas mueven la energía del sol a distancias relativamente largas antes de usarla para alimentar reacciones químicas. El enfoque puede algún día mejorar la eficiencia de las células solares.

"El transporte de energía es uno de los pasos cruciales para la recolección y conversión de energía solar en células solares", dijo Bin Liu, investigador postdoctoral en ingeniería eléctrica e informática y primer autor del estudio en la revista Optica. .

"Creamos una estructura que puede admitir estados híbridos de mezcla de materia ligera, lo que permite un transporte de energía eficiente y de alcance excepcionalmente largo".

Una de las formas en que las células solares pierden energía es en las corrientes de fuga generadas en ausencia de luz. Esto ocurre en la parte de la celda solar que toma los electrones cargados negativamente y los "agujeros" cargados positivamente generados por la absorción de luz, y los separa en una unión entre diferentes semiconductores para crear una corriente eléctrica.

En una celda solar convencional, el área de unión es tan grande como el área que recoge la luz, por lo que los electrones y los huecos no tienen que ir muy lejos para alcanzarla. Pero el inconveniente es la pérdida de energía de esas corrientes de fuga.

La naturaleza minimiza estas pérdidas en la fotosíntesis con grandes "complejos de antena" que recogen luz en los cloroplastos y los "centros de reacción" mucho más pequeños donde los electrones y los huecos se separan para su uso en la producción de azúcar. Sin embargo, estos pares electrón-hueco, conocidos como excitones, son muy difíciles de transportar a largas distancias en los semiconductores.

Liu explicó que los complejos fotosintéticos pueden manejarlo gracias a sus estructuras altamente ordenadas, pero los materiales creados por el hombre suelen ser demasiado imperfectos.

El nuevo dispositivo soluciona este problema al no convertir los fotones por completo en excitones; en cambio, mantienen sus cualidades similares a la luz. La mezcla fotón-electrón-agujero se conoce como polaritón. En forma de polaritón, sus propiedades similares a la luz permiten que la energía atraviese rápidamente distancias relativamente grandes de 0,1 milímetros, que es incluso más que las distancias que recorren los excitones dentro de las hojas.

El equipo creó los polaritones colocando capas del semiconductor delgado que absorbe la luz sobre una estructura fotónica que se asemeja a un espejo y luego iluminándolo. Esa parte del dispositivo actúa como el complejo de antenas en los cloroplastos, reuniendo energía luminosa en un área grande. Con la ayuda de la estructura similar a un espejo, el semiconductor canalizó los polaritones hacia un detector, que los convirtió en corriente eléctrica.

"La ventaja de este arreglo es que tiene el potencial de mejorar en gran medida la eficiencia de generación de energía de las celdas solares convencionales donde las regiones de recolección de luz y separación de carga coexisten en la misma área", dijo Stephen Forrest, Profesor Distinguido de la Universidad Peter A. Franken. de Ingeniería, quien dirigió la investigación.

Si bien el equipo sabe que el transporte de energía está ocurriendo en su sistema, no están totalmente seguros de que la energía se mueva continuamente en forma de polaritón. Podría ser que el fotón navegue sobre una serie de excitones en su camino hacia el detector. Dejan este detalle fundamental para el trabajo futuro, así como la cuestión de cómo construir dispositivos eficientes de recolección de luz que aprovechen la transferencia de energía similar a la fotosíntesis. + Explora más

Nuevo diseño de fotodetector inspirado en la fotosíntesis de las plantas