(Phys.org) —Una ventana de una casa que funciona como un panel solar podría estar en el horizonte, gracias al reciente trabajo de puntos cuánticos de los investigadores del Laboratorio Nacional de Los Alamos en colaboración con científicos de la Universidad de Milano-Bicocca (UNIMIB), Italia. Su proyecto demuestra que las propiedades superiores de emisión de luz de los puntos cuánticos se pueden aplicar a la energía solar al ayudar a recolectar la luz solar de manera más eficiente.

"El logro clave es la demostración de concentradores solares luminiscentes de gran área que utilizan una nueva generación de puntos cuánticos especialmente diseñados, ", dijo el investigador principal Victor Klimov del Centro de Fotofísica Solar Avanzada (CASP) en Los Alamos.

Los puntos cuánticos son fragmentos ultrapequeños de materia semiconductora que se pueden sintetizar con una precisión casi atómica mediante métodos modernos de química coloidal. Su color de emisión se puede ajustar simplemente variando sus dimensiones. La sintonización del color se combina con altas eficiencias de emisión que se acercan al 100 por ciento. Estas propiedades se han convertido recientemente en la base de una nueva tecnología, pantallas de puntos cuánticos, empleadas, por ejemplo, en la generación más nueva del lector electrónico Kindle Fire.

Antenas captadoras de luz

Un concentrador solar luminiscente (LSC) es un dispositivo de gestión de fotones, que representa una losa de material transparente que contiene emisores altamente eficientes, como moléculas de tinte o puntos cuánticos. La luz solar absorbida en la losa se vuelve a irradiar a longitudes de onda más largas y se guía hacia el borde de la losa equipada con una celda solar.

Klimov explicó, "El LSC sirve como una antena de captación de luz que concentra la radiación solar recogida de un área grande en una célula solar mucho más pequeña, y esto aumenta su producción de energía ".

"Los LSC son especialmente atractivos porque, además de las ganancias en eficiencia, pueden habilitar nuevos conceptos interesantes como ventanas fotovoltaicas que pueden transformar las fachadas de las casas en unidades de generación de energía de gran superficie, "dijo Sergio Brovelli, quien trabajó en Los Alamos hasta 2012 y ahora es miembro de la facultad de UNIMIB.

Debido a su alta eficiencia, emisión de color sintonizable y procesabilidad de la solución, Los puntos cuánticos son materiales atractivos para su uso en económicos, LSC de gran superficie. Un desafío sin embargo, es una superposición entre las bandas de emisión y absorción en los puntos, lo que conduce a pérdidas de luz significativas debido a que los puntos reabsorben parte de la luz que producen.

"Gigante" pero aún diminuto, puntos diseñados

Para superar este problema, los investigadores de Los Alamos y UNIMIB han desarrollado LSC basados ​​en puntos cuánticos con una gran separación inducida artificialmente entre las bandas de emisión y absorción (llamado gran desplazamiento de Stokes).

Estos puntos cuánticos diseñados "Stokes-shift" representan estructuras de seleniuro de cadmio / sulfuro de cadmio (CdSe / CdS) en las que la absorción de luz está dominada por una capa exterior ultragruesa de CdS, mientras que la emisión se produce desde el núcleo interno de un CdSe de espacio más estrecho. La separación de las funciones de absorción y emisión de luz entre las dos partes diferentes de la nanoestructura da como resultado un gran cambio espectral de emisión con respecto a la absorción. lo que reduce en gran medida las pérdidas por reabsorción.

Para implementar este concepto, Los investigadores de Los Alamos crearon una serie de puntos cuánticos CdSe / CdS de capa gruesa (los llamados "gigantes"), que fueron incorporados por sus socios italianos en grandes losas (de decenas de centímetros) de polimetilmetacrilato (PMMA). Aunque es grande según los estándares de puntos cuánticos, las partículas activas son todavía diminutas, de sólo unos cien angstroms de diámetro. Para comparacion, un cabello humano es de aproximadamente 500, 000 angstroms de ancho.

"Una clave del éxito de este proyecto fue el uso de un método industrial modificado de fundición celular, que desarrollamos en el Departamento de Ciencia de Materiales de UNIMIB ", dijo Francesco Meinardi, profesor de Física de la UNIMIB.

Las mediciones espectroscópicas indicaron que prácticamente no hay pérdidas por reabsorción en distancias de decenas de centímetros. Más lejos, las pruebas que utilizan radiación solar simulada demostraron altas eficiencias de recolección de fotones de aproximadamente el 10% por fotón absorbido que se pueden lograr en muestras casi transparentes, perfectamente adecuado para su utilización como ventanas fotovoltaicas.

A pesar de su alta transparencia, las estructuras fabricadas mostraron una mejora significativa del flujo solar con un factor de concentración de más de cuatro. Estos emocionantes resultados indican que los puntos cuánticos "diseñados por cambios de Stokes" representan una plataforma de materiales prometedora. Puede permitir la creación de LSC de gran superficie procesables en solución con espectros de emisión y absorción sintonizables de forma independiente.

Un trabajo de investigación "Concentradores solares luminiscentes de área grande basados ​​en nanocristales 'diseñados por turnos de Stokes' en una matriz de PMMA polimerizada en masa, "se publica en línea esta semana en Fotónica de la naturaleza .