Los diseñadores de celdas solares pronto estarán poniendo sus miras más altas, ya que un descubrimiento realizado por un equipo de investigadores ha revelado una clase de materiales que podrían ser mejores para convertir la luz solar en energía que los que se utilizan actualmente en los paneles solares. Su investigación muestra cómoSe puede usar un material para extraer energía de una pequeña porción del espectro de la luz solar con una eficiencia de conversión que está por encima de su máximo teórico, un valor llamado límite de Shockley-Queisser. Este hallazgo, que podría conducir a células solares más eficientes en energía, fue sembrado en un descubrimiento de casi medio siglo por el físico ruso Vladimir M. Fridkin, profesor visitante de física en Drexel, quien también es conocido como uno de los innovadores detrás de la fotocopiadora.
El equipo, que incluye científicos de la Universidad de Drexel, el Instituto de Cristalografía Shubnikov de la Academia de Ciencias de Rusia, la Universidad de Pensilvania y el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU., Publicó recientemente sus hallazgos en la revista Fotónica de la naturaleza . Su artículo "Eficiencia de conversión de energía que excede el límite de Shockley-Queisser en un aislante ferroeléctrico", explica cómo pudieron usar un cristal de titanato de bario para convertir la luz solar en energía eléctrica de manera mucho más eficiente de lo que el límite de Shockley-Queisser dictaminaría paraun material que casi no absorbe luz en el espectro visible, solo ultravioleta.
Un fenómeno que es la base de los nuevos hallazgos fue observado por Fridkin, quien es uno de los principales coautores del artículo, hace unos 47 años, cuando descubrió un mecanismo físico para convertir la luz en energía eléctrica: unoeso difiere del método empleado actualmente en las células solares. El mecanismo se basa en la recolección de electrones "calientes", aquellos que transportan energía adicional en un material fotovoltaico cuando son excitados por la luz solar, antes de que pierdan su energía. Y aunque ha recibido relativamente poca atención hastarecientemente, el llamado "efecto fotovoltaico a granel" podría ser la clave para revolucionar nuestro uso de la energía solar.
Los límites de la energía solar
La conversión de energía solar ha sido limitada hasta ahora debido al diseño de las células solares y las características electroquímicas inherentes a los materiales utilizados para fabricarlas.
"En una celda solar convencional, hecha con un semiconductor, la absorción de la luz solar ocurre en una interfaz entre dos regiones, una que contiene un exceso de portadores de carga negativa, llamados electrones, y la otra que contiene un exceso de carga positivatransportistas, llamados agujeros ", dijo Alessia Polemi, profesora de investigación en la Facultad de Ingeniería de Drexel y uno de los coautores del artículo.
Para generar pares de agujeros de electrones en la interfaz, que es necesaria para tener una corriente eléctrica, los fotones de la luz solar deben excitar a los electrones a un nivel de energía que les permita desocupar la banda de valencia y pasar a la banda de conducción -- la diferencia en los niveles de energía entre estas dos bandas se conoce como el "intervalo de banda". Esto significa que en los materiales fotovoltaicos, no todo el espectro solar disponible se puede convertir en energía eléctrica. Y para la energía solar, las energías de los fotones son más altas queEn el intervalo de banda, los electrones excitados perderán el exceso de energía en forma de calor, en lugar de convertirlo en corriente eléctrica. Este proceso reduce aún más la cantidad de energía que se puede extraer de una célula solar.
"Los portadores inducidos por la luz generan un voltaje, y su flujo constituye una corriente. Las células solares prácticas producen energía, que es el producto de la corriente y el voltaje", dijo Polemi. "Este voltaje y, por lo tanto, la energía que se puede obtener, también está limitado por la banda prohibida "
Pero, como descubrió Fridkin en 1969, y el equipo valida con esta investigación, esta limitación no es universal, lo que significa que las células solares pueden mejorarse.
Nueva vida para una vieja teoría
Cuando Fridkin y sus colegas en el Instituto de Cristalografía en Moscú observaron un fotovoltaje inusualmente alto mientras estudiaban el yoduro de sulfuro de antimonio ferroeléctrico, un material que no tenía ninguna unión que separara los portadores, planteó que la simetría de los cristales podría ser el origenpor sus notables propiedades fotovoltaicas. Más tarde explicó cómo este "efecto fotovoltaico en masa", que es muy débil, implica el transporte de electrones calientes fotogenerados en una dirección particular sin colisiones, lo que provoca el enfriamiento de los electrones.
Esto es significativo porque el límite en la conversión de energía solar de la teoría de Shockley-Queisser se basa en la suposición de que todo este exceso de energía se pierde, se desperdicia como calor. Pero el descubrimiento del equipo muestra que no todo el exceso de energía dese pierden electrones calientes y, de hecho, la energía se puede extraer como energía antes de la termalización.
"El resultado principal, que excede [la brecha energética específica] Shockley-Queisser [límite de eficiencia energética] usando una pequeña fracción del espectro solar, es causado por dos mecanismos", dijo Fridkin. "El primero es el gruesoefecto fotovoltaico que involucra portadores calientes y el segundo es el fuerte campo de detección, que conduce a la ionización y multiplicación de estos portadores, aumentando el rendimiento cuántico ".
La ionización de impacto, que conduce a la multiplicación de portadores, puede compararse con una serie de fichas de dominó en las que cada ficha representa un electrón unido. Cuando un fotón interactúa con un electrón, excita al electrón, que, cuando está sujeto al campo fuerte,acelera e 'ioniza' o libera otros electrones unidos en su camino, cada uno de los cuales, a su vez, también acelera y desencadena la liberación de otros. Este proceso continúa sucesivamente, como la activación de múltiples cascadas de dominó con una sola baldosa con punta, lo que equivale aa una corriente mucho mayor.
Este segundo mecanismo, el campo de detección, es un campo eléctrico presente en todos los materiales ferroeléctricos. Pero con el electrodo de nanoescala utilizado para recolectar la corriente en una célula solar, el campo se mejora, y esto tiene el efecto beneficioso de promover el impactoionización y multiplicación de portadores. Siguiendo la analogía del dominó, el campo impulsa el efecto en cascada, asegurando que continúe de un dominó al siguiente.
"Este resultado es muy prometedor para las células solares de alta eficiencia basadas en la aplicación de ferroeléctricos que tienen una brecha de energía en la región de mayor intensidad del espectro solar", dijo Fridkin.
Construyendo hacia un avance
"¿Quién hubiera esperado que se pudiera usar un aislante eléctrico para mejorar la conversión de energía solar?", Dijo Jonathan E. Spanier, profesor de ciencias de los materiales, física e ingeniería eléctrica en Drexel y uno de los principales autores del estudio ".El titanato de bario absorbe menos de una décima parte del espectro del Sol. Pero nuestro dispositivo convierte la energía incidente 50 por ciento más eficientemente que el límite teórico para una célula solar convencional construida usando este material o un material con la misma brecha de energía ".
Este avance se basa en la investigación realizada hace varios años por Andrew M. Rappe, profesor de química y ciencias de los materiales e ingeniería de Blanchard en la Universidad de Pensilvania, uno de los principales autores, y Steve M. Young, también coautorEn el nuevo informe, Rappe y Young mostraron cómo se podían calcular las corrientes fotovoltaicas a granel, lo que llevó a Spanier y sus colaboradores a investigar si se podía lograr una mayor eficiencia de conversión de energía en ferroeléctricos.
"Hay muchos informes interesantes que utilizan materiales o fenómenos a nanoescala para mejorar la conversión de energía solar", dijo Spanier. "El profesor Fridkin agradeció hace décadas que el efecto fotovoltaico a granel permite que los electrones libres generados por la luz y tengan exceso de energía viajen en undirección particular antes de que se enfríen o se 'termalicen' y pierdan su exceso de energía debido a las vibraciones de la red cristalina ".
Rappe también fue responsable de conectar Spanier con Fridkin en 2015, una colaboración que puso en marcha la investigación que ahora se detalla Fotónica de la naturaleza - una validación de la visión de décadas de Fridkin.
"Vladimir es reconocido internacionalmente por sus contribuciones pioneras al campo de la electroxerografía, después de haber construido la primera fotocopiadora en funcionamiento en el mundo", dijo Rappe. "Luego se convirtió en un líder en ferroelectricidad y piezoelectricidad, y preeminente en la comprensión de las interacciones ligeras con la ferroeléctricaFridkin explicó cómo, en cristales que carecen de simetría de inversión, los electrones fotoexcitados adquieren asimetría en su momento. Esto, a su vez, hace que se muevan en una dirección en lugar de en la dirección opuesta. Es sorprendente que la misma persona que descubrió estosLos efectos fotovoltaicos a granel hace casi 50 años ahora están ayudando a aprovecharlos para su uso práctico en nanomateriales ".
La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., La Oficina de Investigación Naval, el Departamento de Energía de EE. UU. Y la Fundación Nacional de Ciencia.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Drexel . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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