Investigadores japoneses logran que células solares aprovechen más energía de la luz, superando el límite tradicional con un 130% de eficiencia

Científicos de Japón y Alemania desarrollan un método para que las células solares generen más energía de la que reciben.

• Límite físico de eficiencia — barrera histórica.
• Fisión singlete — duplicación de excitones.
• Complejo de molibdeno — captura selectiva de energía.
• Rendimiento cuántico ≈ 130% — más portadores que fotones.
• Pérdidas energéticas — reducción de calor desperdiciado.
• Fase inicial — pruebas en laboratorio.
• Potencial real — salto en fotovoltaica avanzada.

Un complejo metálico “spin-flip” puede ayudar a las células solares a superar sus límites

Los investigadores logran capturar excitones amplificados mediante fisión singlete utilizando un emisor basado en molibdeno, alcanzando un rendimiento cuántico del 130% y abriendo el camino para superar los límites de eficiencia de las células solares.

En plena transición energética, la energía solar sigue teniendo un problema incómodo: capta mucha menos energía de la que recibe. La Tierra recibe una cantidad inmensa de radiación solar cada segundo, pero las células actuales solo aprovechan una parte limitada debido a restricciones físicas bien conocidas.

Este nuevo trabajo propone algo distinto. No se trata de optimizar materiales existentes, se trata de cambiar la forma en la que la luz se transforma en electricidad.

Cómo funciona una célula solar y por qué tiene límites

En una célula solar convencional, la luz activa electrones dentro de un semiconductor, generando corriente eléctrica. Hasta aquí, todo parece eficiente. El problema aparece cuando se analiza qué parte de la luz realmente se aprovecha.

Los fotones de baja energía, como el infrarrojo, apenas interactúan. Los de alta energía, como los azules, pierden el exceso en forma de calor. Ese desperdicio es estructural, no un fallo de diseño.

Este límite, conocido como límite de Shockley–Queisser, lleva décadas marcando el techo teórico de eficiencia. En términos prácticos, significa que incluso las mejores células comerciales siguen lejos del aprovechamiento total de la energía solar.

Y ahí es donde entra la innovación.

Fisión singlete: una idea clave para multiplicar la energía

Una de las estrategias más prometedoras consiste en la fisión singlete, un proceso que permite dividir la energía de un solo fotón en dos excitaciones independientes.

Dicho de forma sencilla: un fotón entra → se generan dos “paquetes de energía” útiles.

Esto rompe la lógica tradicional donde un fotón solo puede generar un excitón. En materiales como el tetraceno, este fenómeno ya se había observado, pero había un problema importante: capturar esa energía antes de que se pierda.

Aquí es donde muchos avances anteriores se quedaban a medio camino.

El papel del complejo ‘spin-flip’ de molibdeno

El avance clave del estudio ha sido diseñar un sistema capaz de capturar selectivamente los excitones generados tras la fisión singlete.

Para ello, los investigadores han utilizado un complejo metálico basado en molibdeno con propiedades “spin-flip”. Este tipo de moléculas permite que los electrones cambien su estado de espín durante los procesos de absorción y emisión de luz.

Ese detalle, aparentemente técnico, tiene una consecuencia enorme:
permite recoger la energía en forma de excitones triplete, que normalmente se pierden o se desactivan antes de poder aprovecharse.

Además, el sistema evita otro gran enemigo de la eficiencia: la transferencia de energía tipo FRET, que “roba” energía antes de que pueda multiplicarse. Al ajustar cuidadosamente los niveles energéticos, los investigadores han conseguido redirigir el flujo de energía hacia donde interesa.

Un resultado que rompe el techo: 130% de rendimiento cuántico

El experimento ha logrado un rendimiento cuántico cercano al 130%, lo que significa que se generan más portadores de energía de los que cabría esperar por el número de fotones absorbidos.

Este tipo de resultados no implica que una célula solar comercial vaya a superar el 100% de eficiencia energética global (hay pérdidas en otros procesos), pero sí demuestra que es posible romper limitaciones consideradas fundamentales en etapas concretas del proceso.

Y eso cambia el panorama.

Del laboratorio a la realidad: los retos pendientes

El sistema aún se encuentra en fase experimental, trabajando en disolución y condiciones controladas. El siguiente paso será trasladar este mecanismo a materiales sólidos integrables en dispositivos reales.

Aquí aparecen los desafíos habituales:

• Estabilidad de los materiales a largo plazo
• Integración con arquitecturas fotovoltaicas existentes
• Costes de producción y escalabilidad
• Compatibilidad con procesos industriales

Aun así, el uso de molibdeno, un metal relativamente abundante comparado con otros utilizados en tecnologías avanzadas, juega a favor de su viabilidad futura.

Qué impacto puede tener en el medio ambiente

Si esta tecnología logra escalar, el impacto puede ser notable. No tanto por sustituir lo existente de inmediato, más bien por mejorar radicalmente la eficiencia de las nuevas generaciones de paneles solares.

Una mayor eficiencia implica:

• Menos superficie necesaria para generar la misma energía.
• Reducción de materiales por kilovatio instalado.
• Menor presión sobre el territorio y los ecosistemas.
• Mejora en instalaciones urbanas donde el espacio es limitado.

Además, al aprovechar mejor la luz de alta energía —la que hoy se pierde como calor— se reduciría la degradación térmica de los paneles, alargando su vida útil en climas cálidos.

También hay una implicación indirecta importante:
si se aumenta la eficiencia sin disparar los costes, se acelera la competitividad frente a combustibles fósiles en regiones donde aún no es dominante.

Potencial

Esta línea de investigación abre una puerta interesante: hacer más con la misma luz solar.

A corto plazo, puede integrarse en células solares en tándem, combinando distintas tecnologías para capturar diferentes partes del espectro. Ya se están viendo avances en este sentido con perovskitas y silicio.

A medio plazo, podría permitir:

• Paneles más compactos en entornos urbanos.
• Instalaciones solares más eficientes en cubiertas industriales.
• Mejora del rendimiento en países con alta radiación solar.

Y a largo plazo… quién sabe. Quizá el verdadero impacto esté en aplicaciones híbridas, donde la gestión avanzada de excitones también influya en tecnologías como LEDs de alta eficiencia o dispositivos cuánticos.

No es una solución inmediata. Tampoco pretende serlo.
Pero apunta en una dirección clara: la eficiencia solar aún tiene margen para crecer. Y eso, en plena crisis climática, importa más de lo que parece.

Más información: “Exploring Spin-State Selective Harvesting Pathways from Singlet Fission Dimers to a Near-Infrared Emissive Spin-Flip Emitter,” Percy Gonzalo Sifuentes-Samanamud, Adrian Sauer, Aki Masaoka, Yuta Sawada, Yuya Watanabe, Ilias Papadopoulos, Katja Heinze, Yoichi Sasaki, and Nobuo Kimizuka, Journal of the American Chemical Society, https://doi.org/10.1021/jacs.5c20500