Las tecnologías de energía solar, que utilizan células solares para convertir la luz solar en electricidad o combustibles almacenables, están ganando impulso en un mundo que busca soluciones energéticas más allá de los combustibles fósiles.
Hoy en día, los paneles solares oscuros y azulados que se encuentran en los tejados y campos abiertos están hechos típicamente de silicio, un material semiconductor bien probado. Sin embargo, la tecnología fotovoltaica de silicio tiene sus limitaciones, perdiendo hasta el 40% de la energía que recolecta de la luz solar en forma de calor. Investigadores de la Universidad Estatal de Colorado están estudiando nuevas formas radicales de mejorar la energía solar y ofrecer más opciones para la industria.
Los químicos de la Universidad Estatal de Colorado proponen fabricar células solares utilizando un material natural abundante llamado disulfuro de molibdeno, en lugar de silicio.
Utilizando una combinación creativa de técnicas fotoelectroquímicas y espectroscópicas, los investigadores llevaron a cabo una serie de experimentos que muestran que las películas extremadamente delgadas de disulfuro de molibdeno tienen propiedades sin precedentes de portadores de carga que podrían mejorar drásticamente las tecnologías solares en el futuro.
Los experimentos fueron liderados por la estudiante de doctorado en química Rachelle Austin y el investigador postdoctoral Yusef Farah. Austin trabaja conjuntamente en los laboratorios de Justin Sambur, profesor asociado en el Departamento de Química, y Amber Krummel, también profesora asociada en el mismo departamento. Farah es un exalumno de doctorado en el laboratorio de Krummel. Su trabajo se publica en Proceedings of the National Academy of Sciences.
La colaboración reunió la experiencia de Sambur en la conversión de energía solar utilizando materiales a escala nanométrica y la experiencia de Krummel en la espectroscopía láser ultrarrápida para comprender la estructura y el comportamiento de diferentes materiales. El laboratorio de Sambur se interesó en el sulfuro de molibdeno como posible material solar alternativo basado en datos preliminares sobre sus capacidades de absorción de luz incluso cuando solo tiene tres átomos de espesor, explicó Austin.
Fue entonces cuando recurrieron a Krummel, cuyo laboratorio contiene un espectrómetro de absorción transitoria de bombeo y sonda ultra rápida de última generación que puede medir con precisión los estados energéticos secuenciales de los electrones individuales a medida que son excitados con un pulso láser. Los experimentos utilizando este instrumento especial pueden proporcionar instantáneas de cómo fluyen las cargas en un sistema. Austin creó una célula fotoelectroquímica utilizando una sola capa atómica de sulfuro de molibdeno, y ella y Farah utilizaron el láser de bombeo y sonda para rastrear el enfriamiento de los electrones a medida que se movían a través del material.
Lo que encontraron fue una conversión de luz a energía sorprendentemente eficiente. Más importante aún, los experimentos de espectroscopía láser les permitieron mostrar por qué esta conversión eficiente era posible.
Descubrieron que el material era tan bueno convirtiendo la luz en energía porque su estructura cristalina le permitía extraer y explotar la energía de los llamados portadores de carga calientes, que son electrones altamente energéticos que se excitaban brevemente de sus estados base cuando eran golpeados con suficiente luz visible. Austin y Farah descubrieron que en su célula fotoelectroquímica, la energía de estos portadores de carga caliente se convertía inmediatamente en fotocorriente, en lugar de perderse como calor. Este fenómeno de extracción de portadores de carga caliente no está presente en las células solares convencionales de silicio.
Este trabajo abre el camino para saber cómo diseñar reactores que contengan estos materiales a escala nanométrica para la producción eficiente y a gran escala de hidrógeno.
Justin Sambur
El proyecto fue una colaboración con el profesor Andrés Montoya-Castillo y el Dr. Thomas Sayer de la Universidad de Colorado en Boulder, quienes contribuyeron con química teórica y modelado computacional para ayudar a explicar y verificar los datos experimentales.
El descubrimiento requirió un enfoque de ‘ciencia en equipo’ que reunió muchos tipos diferentes de experiencia, en química computacional, analítica y física.
Amber Krummel
Los resultados brindan a los científicos e ingenieros una vía de investigación para explorar nuevos enfoques en las tecnologías de energía solar del mañana. El trabajo fue apoyado por el Departamento de Energía de EE. UU., Oficina de Ciencias Básicas de la Energía.
Héctor Cortés dice
Muy interesante el artículo, espero se desarrolle pronto, pasaría a ser, el molibdeno una materia prima interesante.