En el camino hacia un uso más eficiente de la energía solar, investigadores de Wurzburgo, del consorcio bávaro Solar Technologies Go Hybrid, han logrado un avance significativo: han desarrollado un innovador sistema de captación de luz.
Tecnología solar: Nuevo sistema eficiente de captación de luz
Para convertir la luz solar en energía eléctrica u otras formas de energía, el primer paso esencial es contar con un sistema de captación de luz eficiente. Idealmente, este sistema debe ser pancromático, es decir, capaz de absorber todo el espectro de la luz visible.
Las antenas de captación de luz de las plantas y bacterias son un modelo a seguir en este aspecto. Estas estructuras capturan un amplio espectro de luz para la fotosíntesis, aunque son muy complejas en su estructura y requieren muchos pigmentos diferentes para canalizar la energía de la luz absorbida hacia un punto central.
Los sistemas de captación de luz desarrollados por el ser humano hasta ahora también presentan desventajas:
- Semiconductores inorgánicos como el silicio: aunque son pancromáticos, absorben la luz de manera poco eficiente. Para captar suficiente energía lumínica, se necesitan capas de silicio muy gruesas, de hasta micrómetros de espesor, lo que hace que las celdas solares sean voluminosas y pesadas.
- Pigmentos orgánicos: estos son más delgados, con espesores de alrededor de 100 nanómetros, pero no logran absorber un espectro de luz amplio, por lo que no son muy eficientes.
Una capa delgada que absorbe gran cantidad de energía lumínica
Investigadores de la Universidad Julius-Maximilians de Wurzburgo han presentado en la revista Chem un sistema de captación de luz innovador que se diferencia notablemente de los anteriores.
Nuestro sistema tiene una estructura de bandas similar a la de los semiconductores inorgánicos, lo que le permite absorber pancromáticamente en todo el espectro visible. Además, utiliza los altos coeficientes de absorción de los pigmentos orgánicos. Así, al igual que los sistemas naturales de captación de luz, puede absorber una gran cantidad de energía lumínica en una capa relativamente delgada.
Profesor Frank Würthner, del Instituto de Química Orgánica y Centro de Química de Sistemas Nano de la JMU.
Su equipo ha concebido este sistema en la JMU y lo ha investigado junto con el grupo del profesor Tobias Brixner, del Instituto de Química Física y Teórica.
Cuatro pigmentos en una disposición ingeniosa
La innovadora antena de captación de luz de Wurzburgo se compone, simplificadamente, de cuatro pigmentos merocianina diferentes, apilados y plegados estrechamente. La disposición ingeniosa de las moléculas dentro de la antena permite un transporte de energía ultra-rápido y eficiente.
Los investigadores han denominado URPB al prototipo del nuevo sistema de captación de luz. Las letras representan las longitudes de onda de luz que absorben los cuatro componentes pigmentarios de la antena: U para ultravioleta, R para rojo, P para púrpura y B para azul.
Desempeño comprobado mediante fluorescencia
Para comprobar la eficacia de su sistema de captación de luz, los investigadores utilizaron la llamada eficiencia cuántica de fluorescencia. Este método mide cuánta energía emite el sistema en forma de fluorescencia, lo que permite inferir la cantidad de energía lumínica que ha captado previamente.
El resultado es que el sistema convierte el 38% de la energía lumínica absorbida en fluorescencia, en comparación con menos del 1% a un máximo del 3% de cada uno de los cuatro pigmentos por separado. La combinación correcta y la disposición espacial estratégica de las moléculas de pigmento en el apilamiento marcan una gran diferencia.
Panchromatic Light-Harvesting Antenna by Supramolecular Exciton Band Engineering for Heteromeric Dye Foldamer. Alexander Schulz, Rebecca Fröhlich, Ajay Jayachandran, Franziska Schneider, Matthias Stolte, Tobias Brixner, and Frank Würthner. Chem, 26. Juni 2024, Open Access https://doi.org/10.1016/j.chempr.2024.05.023
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