El sol aporta energía más que suficiente para todas nuestras necesidades, si tan solo pudiéramos aprovecharlo de manera económica y eficiente. La energía solar podría proporcionar una alternativa limpia a los combustibles fósiles, pero el alto costo de las células solares ha sido una barrera importante para su uso generalizado.

Los investigadores de Stanford han descubierto que agregar una sola capa de moléculas orgánicas a una celda solar puede aumentar su eficiencia tres veces y podría resultar en un costo más bajo. Paneles solares más eficientes. Sus resultados se publicaron en línea en ACS Nano el 7 de febrero.

La profesora de ingeniería química Stacey Bent se interesó por primera vez en un nuevo tipo de tecnología solar hace dos años. Estas células solares usaban diminutas partículas de semiconductores llamadas "puntos cuánticos". Las células solares de puntos cuánticos son más baratas de producir que las tradicionales, ya que se pueden hacer mediante reacciones químicas simples. Pero a pesar de su promesa, estaban muy por detrás de las células solares existentes en cuanto a eficiencia.

"Me preguntaba si podríamos utilizar nuestros conocimientos de química para mejorar su eficiencia, "
Bent dijo. Si ella pudiera hacer eso, el costo reducido de estas células solares podría llevar a una adopción masiva de la tecnología.

Bent hablará sobre su investigación el domingo, 20 de febrero en la reunión anual de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia en Washington, CORRIENTE CONTINUA.

En principio, las células de puntos cuánticos pueden alcanzar una eficiencia mucho mayor, Bent dijo, debido a una limitación fundamental de las células solares tradicionales.

Las células solares funcionan utilizando energía del sol para excitar electrones. Los electrones excitados saltan de un nivel de energía más bajo a uno más alto, dejando atrás un "agujero" donde solía estar el electrón. Las células solares usan un semiconductor para tirar de un electrón en una dirección, y otro material para tirar del agujero en la otra dirección. Este flujo de electrones y huecos en diferentes direcciones conduce a una corriente eléctrica.

Pero se necesita una cierta energía mínima para separar completamente el electrón y el agujero. La cantidad de energía requerida es específica para diferentes materiales y afecta el color, o longitud de onda, de luz, el material absorbe mejor. El silicio se usa comúnmente para fabricar células solares porque la energía requerida para excitar sus electrones se corresponde estrechamente con la longitud de onda de la luz visible.

Pero las células solares hechas de un solo material tienen una eficiencia máxima de alrededor del 31 por ciento, una limitación del nivel fijo de energía que pueden absorber.

Las células solares de puntos cuánticos no comparten esta limitación y, en teoría, pueden ser mucho más eficientes. Los niveles de energía de los electrones en los semiconductores de puntos cuánticos dependen de su tamaño:cuanto más pequeño es el punto cuántico, cuanto mayor sea la energía necesaria para excitar los electrones al siguiente nivel.

Por lo tanto, los puntos cuánticos se pueden ajustar para absorber una cierta longitud de onda de luz simplemente cambiando su tamaño. Y se pueden utilizar para construir células solares más complejas que tienen más de un tamaño de punto cuántico, permitiéndoles absorber múltiples longitudes de onda de luz.

Debido a estas ventajas, Bent y sus estudiantes han estado investigando formas de mejorar la eficiencia de las células solares de puntos cuánticos, junto con el profesor asociado Michael McGehee del departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales.

Los investigadores recubrieron un semiconductor de dióxido de titanio en su celda solar de punto cuántico con una capa única muy delgada de moléculas orgánicas. Estas moléculas se autoensamblaron, lo que significa que sus interacciones los hicieron empacar juntos de una manera ordenada. Los puntos cuánticos estaban presentes en la interfaz de esta capa orgánica y el semiconductor. Los estudiantes de Bent probaron varias moléculas orgánicas diferentes en un intento de aprender cuáles aumentarían más la eficiencia de las células solares.

Pero descubrió que la molécula exacta no importaba:tener una sola capa orgánica de menos de un nanómetro de espesor era suficiente para triplicar la eficiencia de las células solares. "Estabamos sorprendidos, pensamos que sería muy sensible a lo que escribimos, "dijo Bent.

Pero ella dijo que el resultado tenía sentido en retrospectiva, y los investigadores idearon un nuevo modelo:es la longitud de la molécula, y no su naturaleza exacta, Eso importa. Las moléculas que son demasiado largas no permiten que los puntos cuánticos interactúen bien con el semiconductor.

La teoría de Bent es que una vez que la energía del sol crea un electrón y un agujero, la fina capa orgánica ayuda a mantenerlos separados, evitando que se recombinen y se desperdicien. El grupo aún tiene que optimizar las células solares, y actualmente han alcanzado una eficiencia de, a lo sumo, 0,4 por ciento. Pero el grupo puede sintonizar varios aspectos de la celda, y una vez que lo hacen, el aumento de tres veces causado por la capa orgánica sería aún más significativo.

Bent dijo que los puntos cuánticos de sulfuro de cadmio que está usando actualmente no son ideales para las células solares, y el grupo probará diferentes materiales. Ella dijo que también probaría otras moléculas para la capa orgánica, y podría cambiar el diseño de la celda solar para tratar de absorber más luz y producir más carga eléctrica. Una vez que Bent haya encontrado una manera de aumentar la eficiencia de las células solares de puntos cuánticos, dijo que espera que su menor costo conduzca a una mayor aceptación de la energía solar.