Investigadores estadounidenses desarrollan nuevo material cuántico que promete hasta un 190% de eficiencia cuántica en células solares

Actualizado: 05/07/2024

Investigadores de la Universidad de Lehigh han desarrollado un material que promete aumentar drásticamente la eficiencia de los paneles solares. Un prototipo que utiliza este material como capa activa en una célula solar ha mostrado una absorción fotovoltaica promedio del 80%, una alta tasa de generación de portadores fotoexcitados y una eficiencia cuántica externa (EQE) de hasta un sorprendente 190%. Este avance supera con creces el límite teórico de eficiencia de Shockley-Queisser para materiales basados en silicio, llevando la ciencia de materiales cuánticos para fotovoltaicas a nuevos horizontes.

Un Avance Significativo en la Energía Sostenible

Chinedu Ekuma, profesor de física en Lehigh, junto con el estudiante doctoral Srihari Kastuar, publicaron un artículo en la revista Science Advances donde detallan el desarrollo de este material.

Este trabajo representa un gran avance en nuestra comprensión y desarrollo de soluciones energéticas sostenibles, destacando enfoques innovadores que podrían redefinir la eficiencia y accesibilidad de la energía solar en un futuro cercano.

Chinedu Ekuma

Estados Intermedios de Banda: Clave para la Conversión Solar

La notable eficiencia de este material se atribuye en gran parte a sus «estados de banda intermedia», niveles de energía específicos que se sitúan dentro de la estructura electrónica del material de manera ideal para la conversión de energía solar. Estos estados tienen niveles de energía dentro de los intervalos subóptimos de banda, rangos energéticos donde el material puede absorber eficientemente la luz solar y producir portadores de carga, de aproximadamente 0.78 y 1.26 electrones voltios.

Además, el material se desempeña excepcionalmente bien con altos niveles de absorción en las regiones infrarroja y visible del espectro electromagnético.

Superando el Máximo Tradicional de EQE

En las células solares tradicionales, la EQE máxima es del 100%, lo que representa la generación y recolección de un electrón por cada fotón absorbido de la luz solar. Sin embargo, algunos materiales y configuraciones avanzadas desarrolladas en los últimos años han demostrado la capacidad de generar y recolectar más de un electrón a partir de fotones de alta energía, lo que representa una EQE de más del 100%.

Aunque estos materiales de generación de múltiples excitones (MEG) aún no se han comercializado ampliamente, tienen el potencial de aumentar significativamente la eficiencia de los sistemas de energía solar. En el material desarrollado por Lehigh, los estados de banda intermedia permiten capturar la energía de los fotones que se pierde en las células solares tradicionales, incluyendo la energía perdida por reflexión y la producción de calor.

Innovación en la Creación de Materiales

Los investigadores desarrollaron el novedoso material aprovechando los «huecos de van der Waals», brechas atómicamente pequeñas entre materiales bidimensionales en capas. Estas brechas pueden confinar moléculas o iones, y los científicos de materiales comúnmente las utilizan para insertar, o «intercalar», otros elementos para ajustar las propiedades del material. Para desarrollar su material novedoso, los investigadores de Lehigh insertaron átomos de cobre zerovalente entre capas de un material bidimensional hecho de seleniuro de germanio (GeSe) y sulfuro de estaño (SnS).

Ekuma, experto en física de la materia condensada computacional, desarrolló el prototipo como prueba de concepto después de que la modelización computacional del sistema demostrara promesa teórica.

Su respuesta rápida y eficiencia mejorada indican fuertemente el potencial del GeSe/SnS intercalado con Cu como material cuántico para su uso en aplicaciones fotovoltaicas avanzadas, ofreciendo un camino para mejoras en la conversión de energía solar. Es un candidato prometedor para el desarrollo de células solares de próxima generación, altamente eficientes, que jugarán un papel crucial en la satisfacción de las necesidades energéticas globales.

Chinedu Ekuma

Aunque la integración del material cuántico recién diseñado en los sistemas actuales de energía solar requerirá más investigación y desarrollo, Ekuma señala que la técnica experimental utilizada para crear estos materiales ya es altamente avanzada. Con el tiempo, los científicos han dominado un método que inserta precisamente átomos, iones y moléculas en los materiales.

Vía www.eurekalert.org