(Phys.org) —Para paneles solares, es imperativo extraer cada gota de energía de tantos fotones como sea posible. Este objetivo ha enviado química, Investigadores en ciencia de materiales e ingeniería electrónica en una búsqueda para aumentar la eficiencia de absorción de energía de los dispositivos fotovoltaicos, pero las técnicas existentes ahora chocan con los límites establecidos por las leyes de la física.

Ahora, Investigadores de la Universidad de Pensilvania y la Universidad de Drexel han demostrado experimentalmente un nuevo paradigma para la construcción de células solares que, en última instancia, puede hacerlas menos costosas. más fácil de fabricar y más eficiente en la recolección de energía del sol.

El estudio fue dirigido por el profesor Andrew M. Rappe y el especialista en investigación Ilya Grinberg del Departamento de Química de la Facultad de Artes y Ciencias de Penn. junto con el presidente Peter K. Davies del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, y el profesor Jonathan E. Spanier, del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Drexel.

Fue publicado en la revista Naturaleza .

Las células solares existentes funcionan todas de la misma manera fundamental:absorben la luz, que excita a los electrones y hace que fluyan en una determinada dirección. Este flujo de electrones es corriente eléctrica. Pero para establecer una dirección consistente de su movimiento, o polaridad, Las células solares deben estar hechas de dos materiales. Una vez que un electrón excitado cruza la interfaz del material que absorbe la luz al material que conducirá la corriente, no puede cruzar de regreso, dándole una dirección.

"Hay una pequeña categoría de materiales, sin embargo, que cuando les brillas luz, el electrón despega en una dirección particular sin tener que cruzar de un material a otro, ", Dijo Rappe." A esto lo llamamos el efecto fotovoltaico 'masivo', en lugar del efecto de "interfaz" que ocurre en las células solares existentes. Este fenómeno se conoce desde la década de 1970, pero no fabricamos células solares de esta manera porque solo se han demostrado con luz ultravioleta, y la mayor parte de la energía del sol está en el espectro visible e infrarrojo ".

Encontrar un material que exhiba el efecto fotovoltaico a granel para la luz visible simplificaría enormemente la construcción de células solares. Es más, sería una forma de evitar una ineficiencia intrínseca a las células solares interfaciales, conocido como el límite Shockley-Queisser, donde parte de la energía de los fotones se pierde mientras los electrones esperan para dar el salto de un material a otro.

"Piense en los fotones que vienen del sol como monedas que caen sobre usted, con las diferentes frecuencias de luz como monedas de un centavo, monedas de cinco centavos, monedas de diez centavos y así sucesivamente. Una cualidad de su material absorbente de luz llamada su 'banda prohibida' determina las denominaciones que puede atrapar, "Rappe dijo." El límite de Shockley-Queisser dice que cualquier cosa que atrape es tan valiosa como la denominación más baja que permita su banda prohibida. Si elige un material con una banda prohibida que puede atrapar monedas de diez centavos, puedes coger monedas de diez centavos, monedas de veinticinco centavos y dólares de plata, pero todos solo valdrán el equivalente energético de 10 centavos cuando los atrape.

"Si establece su límite demasiado alto, es posible que obtenga más valor por fotón pero atrape menos fotones en general y salga peor que si eligiera una denominación más baja, "Dijo." Establecer la banda prohibida para atrapar solo dólares de plata es como solo poder atrapar la luz ultravioleta. Configurarlo para capturar cuartos es como moverse hacia abajo en el espectro visible. Su rendimiento es mejor a pesar de que está perdiendo la mayor parte de la energía de los rayos UV que obtiene ".

Como ningún material conocido exhibió el efecto fotovoltaico a granel para la luz visible, el equipo de investigación recurrió a los científicos de sus materiales para idear cómo se podría fabricar uno nuevo y medir sus propiedades.

Comenzando hace más de cinco años, el equipo inició el trabajo teórico, trazar las propiedades de nuevos compuestos hipotéticos que tendrían una mezcla de estos rasgos. Cada compuesto comenzaba con un material "parental" que impartiría al material final el aspecto polar del efecto fotovoltaico a granel. Para el padre, se agregaría un material que redujera la banda prohibida del compuesto en diferentes porcentajes. Estos dos materiales se triturarían en polvos finos, mezclados y luego calentados en un horno hasta que reaccionaron juntos. El cristal resultante idealmente tendría la estructura del padre pero con elementos del segundo material en ubicaciones clave, lo que le permite absorber la luz visible.

"El desafío del diseño, "Davies dijo, "era identificar materiales que pudieran retener sus propiedades polares mientras absorbían simultáneamente la luz visible. Los cálculos teóricos apuntaban a nuevas familias de materiales donde esta combinación de propiedades, a menudo mutuamente excluyentes, podría de hecho estabilizarse".

Esta estructura es algo que se conoce como cristal de perovskita. La mayoría de los materiales absorbentes de luz tienen una estructura cristalina simétrica, lo que significa que sus átomos están dispuestos en patrones repetidos hacia arriba, abajo, izquierda, Derecha, frente y detrás. Esta cualidad hace que esos materiales no sean polares; todas las direcciones "parecen" iguales desde la perspectiva de un electrón, por lo que no hay una dirección general para que fluyan.

Un cristal de perovskita tiene la misma red cúbica de átomos de metal, pero dentro de cada cubo hay un octaedro de átomos de oxígeno, y dentro de cada octaedro hay otro tipo de átomo metálico. La relación entre estos dos elementos metálicos puede hacer que se muevan fuera del centro, dando direccionalidad a la estructura y haciéndola polar.

"Todos los buenos polares, o ferroeléctrico, los materiales tienen esta estructura cristalina, ", Dijo Rappe." Parece muy complicado, pero sucede todo el tiempo en la naturaleza cuando tienes un material con dos metales y oxígeno. No es algo que tuviéramos que diseñar nosotros mismos ".

Después de varios intentos fallidos de producir físicamente los cristales de perovskita específicos que habían teorizado, los investigadores tuvieron éxito con una combinación de niobato de potasio, el padre, material polar, y niobato de bario y níquel, lo que contribuye a la banda prohibida del producto final.

Los investigadores utilizaron cristalografía de rayos X y espectroscopía de dispersión Raman para asegurarse de que habían producido la estructura cristalina y la simetría que pretendían. También investigaron su polaridad conmutable y banda prohibida, mostrando que de hecho podrían producir un efecto fotovoltaico masivo con luz visible, abriendo la posibilidad de romper el límite Shockley-Queisser.

Es más, la capacidad de ajustar la banda prohibida del producto final a través del porcentaje de niobato de níquel y bario agrega otra ventaja potencial sobre las células solares interfaciales.

"La banda prohibida de los padres está en el rango UV, "Spanier dijo, "pero agregar solo el 10 por ciento del niobato de bario y níquel mueve la banda prohibida al rango visible y cerca del valor deseado para una conversión eficiente de energía solar. Así que, para empezar, es un material viable, y la banda prohibida también procede a variar a través del rango visible a medida que agregamos más, que es otro rasgo muy útil ".

Otra forma de sortear la ineficiencia impuesta por el límite de Shockley-Queisser en las células solares interfaciales es apilar eficazmente varias células solares con diferentes bandas prohibidas una encima de la otra. Estas células solares de múltiples uniones tienen una capa superior con una banda prohibida alta, que captura los fotones más valiosos y deja pasar los menos valiosos. Las capas sucesivas tienen bandgaps cada vez más bajos, obtener la mayor cantidad de energía de cada fotón, pero aumentando la complejidad general y el costo de la celda solar.

"La familia de materiales que hemos fabricado con el efecto fotovoltaico a granel recorre todo el espectro solar, ", Dijo Rappe." Así que podríamos cultivar un material pero cambiar suavemente la composición a medida que crecemos, resultando en un solo material que se comporta como una célula solar de múltiples uniones ".

"Esta familia de materiales". Spanier dijo:"es aún más notable porque se compone de económicos, elementos no tóxicos y abundantes en la tierra, a diferencia de los materiales semiconductores compuestos que se utilizan actualmente en la tecnología eficiente de células solares de película delgada ".