Células solares alcanzan 130% de eficiencia en pruebas de laboratorio

La energía solar juega un papel importante en los esfuerzos por reducir la dependencia de los combustibles fósiles y abordar el cambio climático. El Sol entrega una enorme cantidad de energía a la Tierra cada momento, sin embargo, las células solares modernas solo capturan una pequeña parte de ella. Esta limitación se debe a un “techo físico” de larga data que ha sido difícil de superar.

En una investigación publicada en la Revista de la Sociedad Química Estadounidense el 25 de marzo, científicos de la Universidad de Kyushu en Japón, trabajando con colaboradores de la Universidad Johannes Gutenberg (JGU) Mainz en Alemania, desarrollaron una nueva forma de superar esta barrera. Utilizaron un complejo metálico basado en molibdeno conocido como emisor de “spin-flip” para capturar la energía adicional generada a través de la fisión de singlete (SF), a menudo descrita como una “tecnología soñada” para mejorar la conversión de luz.

Con este enfoque, el equipo logró eficiencias de conversión de energía de alrededor del 130%, superando el límite tradicional del 100% y apuntando hacia tecnologías solares más avanzadas.

¿Cómo funcionan las células solares y por qué se pierde energía?

Las células solares producen electricidad cuando los fotones de la luz solar golpean un semiconductor y transfieren energía a los electrones, poniéndolos en movimiento y creando una corriente eléctrica. Este proceso puede compararse con un relevador, donde la energía se pasa de una partícula a otra.

Sin embargo, no todos los fotones son igualmente útiles. Los fotones infrarrojos de baja energía no tienen suficiente energía para activar los electrones, mientras que los fotones de alta energía como la luz azul pierden su energía adicional como calor. Por esta razón, las células solares solo pueden utilizar aproximadamente un tercio de la luz solar entrante. Esta restricción se conoce como el límite de Shockley-Queisser y ha permanecido como un gran desafío.

La fisión de singlete ofrece una forma de multiplicar la energía

“Tenemos dos estrategias principales para romper este límite”, dice Yoichi Sasaki, profesor asociado de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Kyushu. “Una es convertir fotones infrarrojos de baja energía en fotones visibles de mayor energía. La otra, lo que exploramos aquí, es usar SF para generar dos excitones a partir de un solo fotón excitón”.

En condiciones normales, cada fotón produce solo un excitón de espín singlete después de la excitación. Con SF, este excitón único puede dividirse en dos excitones de espín triplete de menor energía, lo que podría duplicar la energía disponible. Aunque ciertos materiales como el tetraceno pueden soportar este proceso, capturar estos excitones eficientemente ha resultado difícil.

Superando la pérdida de energía por FRET

“La energía puede ser fácilmente ‘robada’ por un mecanismo llamado transferencia de energía de resonancia de Förster (FRET) antes de que ocurra la multiplicación”, explica Sasaki. “Por lo tanto, necesitábamos un aceptor de energía que capture selectivamente los excitones tripletas multiplicados después de la fisión”.

Para abordar este problema, los investigadores recurrieron a complejos metálicos, que pueden ser diseñados con precisión. Identificaron un emisor basado en molibdeno de “spin-flip” como una solución efectiva. En este sistema, un electrón cambia su espín durante la absorción o emisión de luz infrarroja cercana, permitiéndole capturar la energía triple generada por SF.

Al ajustar cuidadosamente los niveles de energía, el equipo minimizó las pérdidas por FRET y permitió la extracción eficiente de los excitones multiplicados.

Colaboración y éxito experimental

“No pudimos haber llegado a este punto sin el grupo de Heinze de JGU Mainz”, dice Sasaki. Adrian Sauer, un estudiante de posgrado del grupo que visitó la Universidad de Kyushu en intercambio y segundo autor del artículo, llamó la atención del equipo sobre un material ampliamente estudiado allí, lo que llevó a la colaboración.

Cuando se combinó con materiales basados en tetraceno en solución, el sistema cosechó energía con rendimientos cuánticos de aproximadamente 130%. Esto significa que aproximadamente 1,3 complejos metálicos basados en molibdeno se activaron por cada fotón absorbido, superando el límite habitual y demostrando que se produjo más portador de energía que fotones entrantes.

Aplicaciones futuras en energía solar y tecnologías cuánticas

Esta investigación introduce una nueva estrategia para amplificar excitones, aunque todavía está en etapa de prueba de concepto. El equipo apunta a integrar estos materiales en sistemas de estado sólido para mejorar la transferencia de energía y acercarse más a las aplicaciones prácticas de células solares.

Los hallazgos también podrían impulsar más investigación combinando fisión de singlete y complejos metálicos, con usos potenciales no solo en energía solar, sino también en LED y tecnologías cuánticas emergentes.

Limitaciones

Es importante señalar que estos resultados son una prueba de concepto en laboratorio. Aunque demuestran que es posible superar el límite tradicional del 100%, aún falta trabajo para desarrollar células solares comerciales basadas en esta tecnología.

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Artículo basado en investigación publicada en Journal of the American Chemical Society (Universidad de Kyushu, Japón y Universidad Johannes Gutenberg Mainz, Alemania).