Los científicos de la Universidad de Purdue y el Laboratorio Nacional de Energía Renovable han descubierto cómo se mueven los electrones en un nuevo material cristalino y este descubrimiento podría conducir a duplicar la eficiencia de las células solares. Imágenes de microscopio ultrarrápidas, como estos, muestran que los electrones en el material pueden moverse más de 200 nanómetros con una mínima pérdida de energía por calor. Crédito:Imagen de la Universidad de Purdue por Libai Huang
Investigadores de la Universidad de Purdue y el Laboratorio Nacional de Energía Renovable han demostrado que un nuevo material tiene la capacidad de duplicar la eficiencia de las células solares.
Las células solares convencionales tienen una eficiencia máxima de un tercio, un límite conocido por los científicos como el límite de Shockley-Queisser. El nuevo material, una estructura cristalina que contiene tanto materiales inorgánicos (yodo y plomo) como un material orgánico (metil-amonio), aumenta la eficiencia para que pueda transportar dos tercios de la energía de la luz sin perder tanta energía para calentar.
En términos menos técnicos, este material podría duplicar la cantidad de electricidad producida sin un aumento significativo de costos.
Suficiente energía solar llega a la tierra para suplir todas las necesidades energéticas del planeta varias veces, pero capturar esa energía ha sido difícil:a partir de 2013, solo alrededor del 1 por ciento de la electricidad de la red mundial se produjo a partir de paneles solares.
Libai Huang, profesor asistente de química en Purdue, dice el nuevo material, llamado perovskitas híbridas, crearía células solares más delgadas que las células solares de silicio convencionales, y también es flexible, barato y fácil de hacer.
"Mis estudiantes de posgrado aprenden a hacerlo en unos días, " ella dice.
El avance se publica esta semana en la revista Ciencias .
La Universidad de Purdue y el Laboratorio Nacional de Energía Renovable han descubierto el potencial de duplicar la eficiencia de las células solares utilizando un nuevo material único. El material, llamada perovskita híbrida, tiene una "jaula" de cristal inorgánico que contiene una molécula orgánica, metil-amonio. Crédito:Imagen de la Universidad de Purdue por Libai Huang
Las células solares más comunes utilizan silicio como semiconductor, que puede transmitir solo un tercio de la energía debido a la banda prohibida, que es la cantidad de energía necesaria para impulsar un electrón de un estado ligado a un estado conductor, en el que los electrones pueden moverse, creando electricidad.
Los fotones entrantes pueden tener más energía que la banda prohibida, y durante muy poco tiempo, tan corto que es difícil de imaginar, los electrones existen con energía extra. Estos electrones se denominan "portadores calientes, "y en el silicio existen sólo un picosegundo (que son 10 -12 segundos) y solo recorre una distancia máxima de 10 nanómetros. En este punto, los electrones portadores calientes ceden su energía en forma de calor. Esta es una de las principales razones de la ineficacia de las células solares.
Huang y sus colegas han desarrollado una nueva técnica que puede rastrear el rango de movimiento y la velocidad de los portadores calientes mediante el uso de láseres y microscopios rápidos.
"La distancia que los portadores calientes necesitan para migrar es al menos del grosor de una celda solar, o unos 200 nanómetros, que puede lograr este nuevo material de perovskita, ", Dice Huang." Además, estos portadores pueden vivir unos 100 picosegundos, dos órdenes de magnitud más largas que el silicio ".
Kai Zhu, científico senior del Laboratorio Nacional de Energías Renovables en Golden, Colorado, y uno de los coautores del artículo de la revista, dice que estos son factores críticos para la creación de una célula solar comercial portadora de calor.
"Este estudio demostró que los portadores calientes en una película delgada de perovskita policristalina estándar pueden viajar una distancia que es similar o más larga que el espesor de película requerido para construir una célula solar de perovskita eficiente". ", dice. Esto indica que el potencial para desarrollar células solares de perovskita portadora caliente es bueno".
Sin embargo, antes de que se desarrolle un producto comercial, Los investigadores están tratando de utilizar las mismas técnicas desarrolladas en Purdue reemplazando el plomo en el material con otros menos tóxico, rieles.
"El siguiente paso es encontrar o desarrollar materiales o estructuras de contacto adecuados con los niveles de energía adecuados para extraer estos portadores calientes para generar energía en el circuito externo, ", Dice Zhu." Puede que esto no sea fácil ".
