Se resquebraja el techo solar
Un equipo de científicos de la Universidad de Groninga, en los Países Bajos, ha descubierto por qué un nuevo material para paneles solares puede retener la energía de los electrones «calientes» unas mil veces más que los materiales fotovoltaicos habituales. El hallazgo podría ayudar a superar un límite físico conocido desde hace tiempo para la eficiencia de las células solares: en torno al 33 % de conversión de la luz solar en electricidad.
Una placa solar funciona así: las partículas de luz, los fotones, transfieren energía a los electrones del material y los llevan a un estado energético superior. Los fotones de alta energía generan los llamados electrones «calientes». En teoría, podrían producir más electricidad, pero casi enseguida se enfrían y liberan el exceso de energía en forma de calor. Mientras no sea posible capturar ese calor a tiempo, la posible mejora de la eficiencia se disipa sin más en el entorno.
El nuevo estudio se centra en un prometedor material basado en estaño. Experimentos anteriores habían demostrado que retiene el calor de los electrones «calientes» unas mil veces más que los materiales habituales. Sin embargo, los especialistas no se ponían de acuerdo sobre el mecanismo concreto que permite al material conservar la energía durante tanto tiempo. El equipo de Groninga combinó simulaciones por ordenador con mediciones experimentales para comprender las propiedades del material. Entenderlas es necesario si se quiere mejorar la tecnología y llevarla algún día a una aplicación comercial.
El análisis mostró que el resultado extraordinario se debe a la acción conjunta de dos efectos.
El primero es el efecto del «cuello de botella de fonones». Los fonones pueden imaginarse como vibraciones colectivas de los átomos en la red cristalina, es decir, en la estructura ordenada del material. Cuando el entorno de los electrones se calienta rápidamente, estos vuelven a absorber parte de la energía térmica. Se crea así una especie de trampa: el calor no logra escapar y los electrones permanecen «calientes» durante más tiempo.
El segundo es el efecto Burstein-Moss. A medida que se enfrían, los electrones ocupan los estados energéticos más bajos que tienen disponibles. Esos estados se llenan rápidamente, por lo que a los demás electrones calientes les resulta más difícil desprenderse de su energía. Los investigadores lo comparan con un avión: los primeros pasajeros ocupan los asientos de delante y quienes llegan después tienen que avanzar hasta el fondo de la cabina.
La ciencia ya conocía por separado cada uno de estos efectos. Lo nuevo es entender que su acción simultánea en el material de estaño es lo que permite que los electrones calientes tarden tanto en enfriarse. Para ello se necesitan propiedades electrónicas, fonónicas y químicas adecuadas, además de condiciones en las que el material contenga muchos electrones excitados al mismo tiempo.
Los científicos creen que este mecanismo podría ayudar a que futuras células solares superen la referencia del 33 % y conviertan la luz solar en electricidad limpia con mayor eficiencia. Por ahora, sin embargo, se trata de un resultado científico, no de paneles listos para instalar en los tejados: antes de producirlos a gran escala habrá que comprobar la estabilidad del material, el coste de la tecnología y su funcionamiento en condiciones reales. El estudio se ha publicado en la revista ACS Energy Letters.
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El artículo presenta una investigación de la Universidad de Groninga, en los Países Bajos, sobre cómo aumentar la eficiencia de los paneles solares. Según un límite físico conocido desde hace tiempo, las células solares tradicionales solo pueden convertir en electricidad alrededor del 33 % de la energía de la luz solar que reciben. La causa principal de las pérdidas es que los electrones «calientes», generados por los fotones más energéticos, se enfrían muy deprisa.
Los fotones transfieren energía a los electrones y los llevan a un estado excitado. En teoría, los electrones calientes pueden generar más electricidad, pero casi enseguida liberan el exceso de energía en forma de calor. Si no se consigue capturar ese calor, se pierde el potencial energético adicional.
Los investigadores estudiaron un prometedor material para paneles solares basado en estaño. Ya se había observado que puede retener el calor de los electrones calientes unas mil veces más que los materiales habituales. Hasta ahora, los especialistas no se ponían de acuerdo sobre qué mecanismo explicaba el efecto. El nuevo trabajo combinó simulaciones por ordenador y mediciones experimentales para identificar las propiedades clave del material y determinar si en el futuro sería posible llevar la tecnología a escala comercial.
Los científicos concluyeron que la retención prolongada de energía se debe a la acción simultánea de dos fenómenos. El primero es el efecto del cuello de botella de fonones. Los fonones son vibraciones colectivas de los átomos en la red cristalina. Cuando el entorno se calienta rápidamente, los electrones vuelven a absorber energía térmica y se enfrían más despacio.
El segundo fenómeno es el efecto Burstein-Moss. Al enfriarse, los electrones ocupan rápidamente los estados energéticos inferiores disponibles. Una vez llenos, a los demás electrones calientes les resulta más difícil desprenderse de su energía, lo que ralentiza aún más su enfriamiento.
Ambos efectos se conocían por separado, pero el nuevo estudio demuestra que su combinación es la responsable de los tiempos de enfriamiento inusualmente largos en el material de estaño. Para que el mecanismo funcione hacen falta propiedades electrónicas, fonónicas y químicas adecuadas, así como una alta concentración de electrones excitados.
Los resultados podrían ayudar a crear células solares capaces de superar el límite de eficiencia del 33 % y producir más electricidad limpia. Sin embargo, la tecnología sigue en fase de investigación. Antes de su aplicación comercial habrá que comprobar la estabilidad y el coste del material, su durabilidad y su idoneidad para la producción a gran escala. El trabajo se ha publicado en la revista ACS Energy Letters.
