La luz solar se convierte en corriente eléctrica en una estructura en capas.
Investigadores de la Universidad Tecnológica de Viena muestran que una clase de materiales recientemente descubierta se puede utilizar para crear un nuevo tipo de célula solar.
Las capas atómicas individuales se combinan para crear materiales novedosos con propiedades completamente nuevas. Las heteroestructuras de óxido en capas son una nueva clase de materiales, que ha atraído una gran atención entre los científicos de materiales en los últimos años. Un equipo de investigación de la Universidad Tecnológica de Viena, junto con colegas de EE. UU. y Alemania, ahora ha demostrado que estas heteroestructuras se pueden utilizar para crear un nuevo tipo de células solares ultradelgadas extremadamente eficientes.
Descubriendo nuevas propiedades de materiales en simulaciones por computadora
"Se apilan capas atómicas individuales de diferentes óxidos, creando un material con propiedades electrónicas que son muy diferentes de las propiedades que tienen los óxidos individuales por sí mismos ", dice el profesor Karsten Held del Instituto de Física del Estado Sólido, Universidad Tecnológica de Viena. Para diseñar nuevos materiales con exactamente las propiedades físicas adecuadas, las estructuras se estudiaron en simulaciones por ordenador a gran escala. Como resultado de esta investigación, Los científicos de TU Vienna descubrieron que las heteroestructuras de óxido tienen un gran potencial para construir células solares.
Elias Assmann (izquierda) y Karsten Held (derecha) demuestran la idea detrás de la nueva célula solar:la luz es absorbida por una estructura en capas, se producen carrieres de carga gratuita y la corriente eléctrica comienza a fluir.
Convirtiendo la luz en electricidad
La idea básica detrás de las células solares es el efecto fotoeléctrico. Su versión más simple ya la explicó Albert Einstein en 1905:cuando se absorbe un fotón, puede hacer que un electrón deje su lugar y la corriente eléctrica comience a fluir. Cuando se quita un electrón, una región cargada positivamente se queda atrás - un llamado "agujero". Tanto los electrones cargados negativamente como los huecos contribuyen a la corriente eléctrica.
"Si estos electrones y agujeros en la célula solar se recombinan en lugar de ser transportados, no pasa nada y la energía no se puede utilizar ", dice Elias Assmann, que llevó a cabo la mayor parte de las simulaciones por ordenador en TU Viena. "La ventaja crucial del nuevo material es que, a escala microscópica, hay un campo eléctrico dentro del material, que separa electrones y huecos ". Esto aumenta la eficiencia de la célula solar.
Dos aisladores hacen un metal
Los óxidos utilizados para crear el material son en realidad aislantes. Sin embargo, si se apilan dos tipos apropiados de aisladores, Se puede observar un efecto asombroso:las superficies del material se vuelven metálicas y conducen la corriente eléctrica. "Para nosotros, esto es muy importante. Este efecto nos permite extraer cómodamente los portadores de carga y crear un circuito eléctrico ", dice Karsten Held. Las células solares convencionales hechas de silicio requieren cables de metal en su superficie para recolectar los portadores de carga, pero estos cables impiden que parte de la luz ingrese a la célula solar.
No todos los fotones se convierten en corriente eléctrica con la misma eficiencia. Para diferentes colores de luz, diferentes materiales funcionan mejor. "Las heteroestructuras de óxido se pueden ajustar eligiendo exactamente los elementos químicos adecuados", dice el profesor Blaha (TU Viena). En las simulaciones por computadora, se estudiaron los óxidos que contienen lantano y vanadio, porque así los materiales funcionan especialmente bien con la luz natural del sol. "Incluso es posible combinar diferentes tipos de materiales, para que se puedan absorber diferentes colores de luz en diferentes capas de la célula solar con la máxima eficiencia ", dice Elias Assmann.
Poniendo la teoría en práctica
El equipo de TU Viena contó con la asistencia de Satoshi Okamoto (Laboratorio Nacional Oak Ridge, Tennesse, EE. UU.) Y el profesor Giorgio Sangiovanni, un ex empleado de TU Vienna, que ahora trabaja en la Universidad de Würzburg, Alemania. En Würzburg, las nuevas células solares ahora se construirán y probarán. "La producción de estas células solares hechas de capas de óxido es más complicada que la fabricación de células solares de silicio estándar. Pero siempre que se requiera una eficiencia extremadamente alta o un espesor mínimo, las nuevas estructuras deberían poder reemplazar las células de silicio ", Karsten Held cree.
