Una Universidad de California, El profesor asistente de Riverside ha combinado la fotosíntesis y la física para hacer un descubrimiento clave que podría ayudar a que las células solares sean más eficientes. Los hallazgos fueron publicados recientemente en la revista Nano letras .

Nathan Gabor se centra en la física experimental de la materia condensada, y utiliza la luz para probar las leyes fundamentales de la mecánica cuántica. Pero, se interesó en la fotosíntesis cuando en 2010 se le ocurrió una pregunta:¿Por qué las plantas son verdes? Pronto descubrió que nadie lo sabe realmente.

Durante los últimos seis años, trató de ayudar a cambiar eso combinando su experiencia en física con una inmersión profunda en biología.

Se propuso repensar la conversión de energía solar haciendo la pregunta:¿podemos fabricar materiales para células solares que absorban de manera más eficiente la cantidad fluctuante de energía del sol? Las plantas han evolucionado para hacer esto, pero las células solares asequibles actuales, que son en el mejor de los casos un 20 por ciento de eficiencia, no controlan estos cambios repentinos en la energía solar, Dijo Gabor. Eso da como resultado una gran cantidad de energía desperdiciada y ayuda a prevenir la adopción a gran escala de células solares como fuente de energía.

Gabor, y varios otros físicos de UC Riverside, abordó el problema mediante el diseño de un nuevo tipo de fotocélula de motor térmico cuántico, que ayuda a manipular el flujo de energía en las células solares. El diseño incorpora una fotocélula de motor térmico que absorbe fotones del sol y convierte la energía de los fotones en electricidad.

Asombrosamente, Los investigadores encontraron que la fotocélula del motor de calor cuántico podría regular la conversión de energía solar sin requerir retroalimentación activa o mecanismos de control adaptativo. En tecnología fotovoltaica convencional, que se utiliza hoy en día en tejados y granjas solares, las fluctuaciones en la energía solar deben ser suprimidas por convertidores de voltaje y controladores de retroalimentación, que reducen drásticamente la eficiencia general.

El objetivo de los equipos de UC Riverside fue diseñar la fotocélula más simple que iguale la cantidad de energía solar del sol lo más cerca posible de la demanda de energía promedio y suprima las fluctuaciones de energía para evitar la acumulación de energía excedente.

Los investigadores compararon los dos sistemas de fotocélulas mecánicas cuánticas más simples:uno en el que la fotocélula absorbía solo un color de luz, y el otro en el que la fotocélula absorbía dos colores. Descubrieron que simplemente incorporando dos canales absorbentes de fotones, en lugar de solo uno, la regulación del flujo de energía surge de forma natural dentro de la fotocélula.

El principio de funcionamiento básico es que un canal absorbe a una longitud de onda para la que la potencia de entrada media es alta, mientras que el otro absorbe a baja potencia. La fotocélula cambia entre potencia alta y baja para convertir diferentes niveles de energía solar en una salida de estado estable.

Cuando el equipo de Gabor aplicó estos modelos simples al espectro solar medido en la superficie de la Tierra, descubrieron que la absorción de luz verde, la porción más radiante del espectro de energía solar por unidad de longitud de onda, no proporciona ningún beneficio reglamentario y, por lo tanto, debe evitarse. Optimizaron sistemáticamente los parámetros de las fotocélulas para reducir las fluctuaciones de la energía solar, y descubrió que el espectro de absorción se ve casi idéntico al espectro de absorción observado en las plantas verdes fotosintéticas.

Los hallazgos llevaron a los investigadores a proponer que la regulación natural de la energía que encontraron en la fotocélula del motor de calor cuántico puede desempeñar un papel fundamental en la fotosíntesis en las plantas. quizás explicando el predominio de las plantas verdes en la Tierra.

Otros investigadores han descubierto recientemente que varias estructuras moleculares en plantas, incluyendo moléculas de clorofila ayb, podría ser fundamental para prevenir la acumulación de exceso de energía en las plantas, que podría matarlos. Los investigadores de UC Riverside encontraron que la estructura molecular de la fotocélula del motor de calor cuántico que estudiaron es muy similar a la estructura de las moléculas fotosintéticas que incorporan pares de clorofila.

La hipótesis planteada por Gabor y su equipo es la primera en conectar la estructura de la mecánica cuántica con el verdor de las plantas. y proporciona un conjunto claro de pruebas para los investigadores que buscan verificar la regulación natural. Igualmente importante, su diseño permite la regulación sin entrada activa, un proceso hecho posible por la estructura mecánica cuántica de la fotocélula.

El artículo se llama "Regulación natural del flujo de energía en una fotocélula cuántica verde".