Los investigadores han cuantificado las velocidades asombrosamente altas a las que las futuras células solares tendrían que operar para estirar lo que actualmente se considera límites naturales en su eficiencia de conversión de energía.

El estudio, que investigó dispositivos fotovoltaicos basados ​​en un tipo de materiales llamados perovskitas, sugiere que estos podrían alcanzar niveles sin precedentes de supereficiencia. Pero para hacerlo Tendrán que convertir la luz solar en electrones y luego extraerlos como carga eléctrica en tan solo cuadrillonésimas de segundo, unos pocos "femtosegundos", para darles su nombre científico.

Mover electrones a esta velocidad ultrarrápida permitiría la creación de células "portadoras calientes". Estas son células solares que pueden generar electricidad de manera más eficiente al hacer uso de la energía cinética adicional que tienen los electrones por un breve momento justo después de su creación. mientras se mueven a gran velocidad.

La cantidad de energía eléctrica que se puede extraer de una celda portadora caliente, en relación con la cantidad de luz absorbida, potencialmente podría igualar o incluso romper una tasa de eficiencia energética del 30%. En términos aproximados, esta es la máxima eficiencia energética que las células solares pueden alcanzar, aunque las células de silicio estándar suelen tener eficiencias cercanas al 20% en la práctica.

A pesar de las minúsculas fracciones de tiempo involucradas, los autores del nuevo artículo dicen que es posible que las perovskitas puedan finalmente empujar esta barrera de eficiencia.

El estudio, publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza , fue realizado por académicos en Italia y el Reino Unido. El equipo británico involucró a investigadores del grupo de investigación de Optoelectrónica del Laboratorio Cavendish del profesor Sir Richard Friend, miembro del St John's College, Cambridge. El equipo italiano tiene su base en el Politecnico di Milano en el grupo del profesor Guilio Cerullo.

Johannes Richter, estudiante de doctorado en el grupo de Optoelectrónica y autor principal del artículo, dijo:"La escala de tiempo que calculamos es ahora el límite de tiempo en el que tenemos que operar si queremos crear super-eficientes, dispositivos solares portadores calientes. Necesitaríamos sacar electrones antes de que transcurra esta pequeña cantidad de tiempo ".

"Estamos hablando de hacer esto extremadamente rápido, pero no es imposible que suceda. Las células de perovskita son muy delgadas y esto nos da esperanza, porque la distancia que deben recorrer los electrones es, por tanto, muy corta ".

Las perovskitas son una clase de materiales que pronto podrían reemplazar al silicio como material de elección para muchos dispositivos fotovoltaicos. Aunque las células solares de perovskita solo se han desarrollado en los últimos años, ya son casi tan eficientes energéticamente como el silicio.

En parte porque son considerablemente más delgados, son mucho más baratos de fabricar. Mientras que las células de silicio tienen aproximadamente un milímetro de espesor, Los equivalentes de perovskita tienen un espesor de aproximadamente un micrómetro, aproximadamente 100 veces más delgado que un cabello humano. También son muy flexibles, lo que significa que, además de utilizarse para alimentar edificios y máquinas, Las células de perovskita podrían eventualmente incorporarse en cosas como tiendas de campaña, o incluso ropa.

En el nuevo estudio, los investigadores querían saber durante cuánto tiempo los electrones producidos por estas células retienen sus niveles más altos posibles de energía. Cuando la luz del sol golpea la celda, partículas de luz (o fotones), se convierten en electrones. Estos se pueden extraer a través de un electrodo para recolectar la carga eléctrica.

Por un breve momento después de su creación, los electrones se mueven muy rápidamente. Sin embargo, luego comienzan a chocar, y perder energía. Electrones que retienen su velocidad, antes de la colisión, se conocen como "calientes" y su energía cinética adicional significa que tienen el potencial de producir más carga.

"Imagínese si tuviera una mesa de billar y cada bola se moviera a la misma velocidad, ", Explicó Richter." Después de cierto tiempo, se van a pegar, lo que hace que disminuyan la velocidad y cambien de dirección. Queríamos saber cuánto tiempo tenemos para extraer los electrones antes de que esto suceda ".

El equipo de Cambridge aprovechó un método desarrollado por sus colegas en Milán llamado espectroscopia bidimensional. Esto implica bombear luz de dos láseres a muestras de células de perovskita de yoduro de plomo para simular la luz solar. y luego usando un tercer láser de "sonda" para medir cuánta luz se está absorbiendo.

Una vez que los electrones chocan y se ralentizan, y así empiezan a ocupar espacio en la celda, la cantidad de luz que se absorbe cambia. El tiempo que tomó para que esto sucediera en el estudio permitió efectivamente a los investigadores establecer cuánto tiempo está disponible para extraer electrones mientras aún están "calientes".

El estudio encontró que los eventos de colisión de electrones comenzaron a ocurrir entre 10 y 100 femtosegundos después de que la luz fue absorbida inicialmente por la célula. Para maximizar la eficiencia energética, los electrones tendrían que llegar al electrodo en tan solo 10 cuatrillones de segundo.

No obstante, los investigadores son optimistas de que esto podría ser posible. Además de aprovechar la delgadez intrínseca de la perovskita, creen que se podrían crear nanoestructuras dentro de las células para reducir aún más la distancia que los electrones necesitan viajar.

"Ese enfoque es solo una idea por ahora, pero es el tipo de cosas que necesitaríamos para superar las escalas de tiempo muy pequeñas que hemos medido, "Añadió Richter.

El papel, "Térmica ultrarrápida del portador en perovskita de yoduro de plomo probada con espectroscopia electrónica bidimensional, "se publica en Comunicaciones de la naturaleza .