En cualquier celda solar convencional basada en silicio, existe un límite absoluto en la eficiencia general, basado en parte en el hecho de que cada fotón de luz solo puede hacer perder un solo electrón, incluso si ese fotón transporta el doble de energía necesaria para hacerlo.Pero ahora, los investigadores han demostrado un método para hacer que los fotones de alta energía golpeen el silicio para expulsar dos electrones en lugar de uno, abriendo la puerta a un nuevo tipo de célula solar con mayor eficiencia de lo que se creía posible.
Si bien las células de silicio convencionales tienen una eficiencia máxima teórica absoluta de alrededor del 29,1 por ciento de conversión de energía solar, el nuevo enfoque, desarrollado en los últimos años por investigadores del MIT y otros lugares, podría superar ese límite, lo que podría agregar varios puntos porcentuales aesa producción máxima. Los resultados se describen hoy en la revista Naturaleza , en un artículo del estudiante graduado Markus Einzinger, el profesor de química Moungi Bawendi, el profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación Marc Baldo, y otros ocho en el MIT y en la Universidad de Princeton.
El concepto básico detrás de esta nueva tecnología se conoce desde hace décadas, y la primera demostración de que el principio podría funcionar fue realizada por algunos miembros de este equipo hace seis años. Pero en realidad traduciendo el método en una celda solar de silicio completamente operativatomó años de arduo trabajo, dice Baldo.
Esa demostración inicial "fue una buena plataforma de prueba" para demostrar que la idea podría funcionar, explica Daniel Congreve PhD '15, un alumno ahora en el Instituto Rowland en Harvard, quien fue el autor principal en ese informe anterior y es un co-autor del nuevo artículo. Ahora, con los nuevos resultados, "hemos hecho lo que nos propusimos hacer" en ese proyecto, dice.
El estudio original demostró la producción de dos electrones a partir de un fotón, pero lo hizo en una celda fotovoltaica orgánica, que es menos eficiente que una celda solar de silicio. Resultó que la transferencia de los dos electrones de una capa colectora superior hecha detetraceno en la celda de silicio "no fue sencillo", dice Baldo. Troy Van Voorhis, profesor de química en el MIT que formó parte del equipo original, señala que el concepto se propuso por primera vez en la década de 1970, y dice irónicamente que cambiaresa idea en un dispositivo práctico "solo tomó 40 años".
La clave para dividir la energía de un fotón en dos electrones radica en una clase de materiales que poseen "estados excitados" llamados excitones, dice Baldo: en estos materiales excitónicos, estos paquetes de energía se propagan como los electrones en un circuito., "pero con propiedades bastante diferentes a las de los electrones." Puedes usarlos para cambiar la energía; puedes cortarlos por la mitad, puedes combinarlos ". En este caso, estaban pasando por un proceso llamado fisión de excitón singlete, que escómo la energía de la luz se divide en dos paquetes de energía separados que se mueven independientemente. El material primero absorbe un fotón, formando un excitón que rápidamente sufre fisión en dos estados excitados, cada uno con la mitad de la energía del estado original.
Pero la parte complicada fue luego acoplar esa energía en el silicio, un material que no es excitónico. Este acoplamiento nunca se había logrado antes.
Como paso intermedio, el equipo intentó acoplar la energía de la capa excitónica en un material llamado puntos cuánticos. "Siguen siendo excitónicos, pero son inorgánicos", dice Baldo. "Eso funcionó; funcionó como un encanto", dice. Al comprender el mecanismo que tiene lugar en ese material, dice," no teníamos ninguna razón para pensar que el silicio no funcionaría ".
Lo que mostró ese trabajo, dice Van Voorhis, es que la clave de estas transferencias de energía se encuentra en la superficie misma del material, no en su volumen. ”Así que estaba claro que la química de la superficie del silicio iba a ser importante.Eso era lo que iba a determinar qué tipos de estados de superficie había ". Ese enfoque en la química de la superficie puede haber sido lo que le permitió a este equipo tener éxito donde otros no lo habían hecho, sugiere.
La clave estaba en una fina capa intermedia. "Resulta que esta pequeña, minúscula tira de material en la interfaz entre estos dos sistemas [la célula solar de silicio y la capa de tetraceno con sus propiedades excitónicas] terminó definiendo todo. Es por eso queotros investigadores no pudieron hacer que este proceso funcionara, y por qué finalmente lo hicimos. "Fue Einzinger" quien finalmente rompió esa nuez ", dice, utilizando una capa de un material llamado oxinitruro de hafnio.
La capa tiene solo unos pocos átomos de espesor, o solo 8 angstroms diez mil millonésimas de metro, pero actuó como un "buen puente" para los estados excitados, dice Baldo. Eso finalmente hizo posible que el único altofotones de energía para desencadenar la liberación de dos electrones dentro de la celda de silicio. Eso produce una duplicación de la cantidad de energía producida por una determinada cantidad de luz solar en la parte azul y verde del espectro. En general, eso podría producir un aumento en elenergía producida por la célula solar: desde un máximo teórico del 29,1 por ciento, hasta un máximo de aproximadamente el 35 por ciento.
Las células de silicio reales aún no están en su máximo, y tampoco el nuevo material, por lo que es necesario realizar más desarrollos, pero ahora se ha demostrado el paso crucial de acoplar los dos materiales de manera eficiente. "Aún necesitamos optimizar el silicioceldas para este proceso ", dice Baldo. Por un lado, con el nuevo sistema, esas celdas pueden ser más delgadas que las versiones actuales. También es necesario trabajar para estabilizar los materiales para una mayor durabilidad. En general, las aplicaciones comerciales probablemente aún falten algunos años, dice el equipo.
Otros enfoques para mejorar la eficiencia de las células solares tienden a implicar la adición de otro tipo de célula, como una capa de perovskita, sobre el silicio. Baldo dice que "están construyendo una célula sobre otra. Básicamente, estamos haciendouna celda: estamos sobrealimentando la celda de silicio. Estamos agregando más corriente al silicio, en lugar de hacer dos celdas ".
Los investigadores han medido una propiedad especial del oxinitruro de hafnio que lo ayuda a transferir la energía excitónica. "Sabemos que el oxinitruro de hafnio genera una carga adicional en la interfaz, lo que reduce las pérdidas mediante un proceso llamado pasivación del campo eléctrico. Si podemos establecer un mejor controlsobre este fenómeno, las eficiencias pueden aumentar aún más ", dice Einzinger. Hasta ahora, ningún otro material que hayan probado puede igualar sus propiedades.
La investigación fue apoyada como parte del MIT Center for Excitonics, financiado por el Departamento de Energía de EE. UU.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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