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Nanocristales de silicio para células solares suficientemente eficientes
Una célula solar típica genera solo un electrón por fotón de la luz solar entrante. Se cree que algunos materiales exóticos producen múltiples electrones por fotón, pero por primera vez, se ha observado el mismo efecto en el silicio. Investigadores del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL), en Golden, CO, mostró que los nanocristales de silicio pueden producir dos o tres electrones por fotón de luz solar de alta energía. El efecto, dicen, podría conducir a un nuevo tipo de celda solar que sea barata y más del doble de eficiente que la energía fotovoltaica típica actual.
Silicona mejorada: Una micrografía de un trozo de silicio cristalino de siete nanómetros, llamado nanocristal o punto cuántico. Tales estructuras podrían aumentar drásticamente la eficiencia de las células solares.
Como en trabajos anteriores con otros materiales, los electrones adicionales provienen de fotones de luz azul y ultravioleta, que tienen mucha más energía que los del resto del espectro solar, especialmente la luz roja e infrarroja. En la mayoría de las células solares, la energía extra de la luz azul y ultravioleta se desperdicia en forma de calor. Pero el pequeño tamaño de los cristales a nanoescala, también llamados puntos cuánticos, conduce a nuevos efectos mecánicos cuánticos que convierten esta energía en electrones.
Al generar múltiples electrones a partir de fotones de alta energía, las células solares hechas de nanocristales de silicio podrían, en teoría, convertir más del 40 por ciento de la energía de la luz en energía eléctrica, dice Arthur Nozik, investigador senior en NREL. En contraste, los paneles solares de techo plano de hoy en día tienen, en el mejor de los casos, un 20 por ciento de eficiencia y, en teoría, se limitan a aproximadamente un 30 por ciento de eficiencia. Concentrar la luz solar con espejos o lentes podría elevar esa cifra a alrededor del 40 por ciento, pero el mismo enfoque podría aumentar la eficiencia de una célula solar de nanocristales de silicio a más del 60 por ciento, dice Nozik.
Es más, las células solares hechas de nanocristales de silicio podrían resultar baratas, lo que les da una ventaja significativa sobre otros enfoques de células solares de alta eficiencia. Por ejemplo, las celdas multifuncionales avanzadas han mostrado eficiencias de más del 40 por ciento. Pero estos requieren procesos de fabricación complicados que combinan costosos semiconductores optimizados para diferentes partes del espectro solar. Los nanocristales de silicio, por el contrario, son relativamente fáciles de fabricar, incluso en comparación con el material de las células solares convencionales, los mejores de los cuales están hechos de monocristales de silicio muy grandes.
Los nanocristales de silicio también tienen marcadas ventajas sobre los otros materiales de nanocristales que han mostrado el efecto multielectrónico. Algunos de estos materiales contienen elementos tóxicos como el plomo o el cadmio, y otros se basan en elementos como el indio que se encuentran en un suministro limitado. Pero el silicio es seguro y abundante. También está bien estudiado, dice Christiana Honsberg , profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Delaware, para que los ingenieros sepan cómo trabajar con él para fabricar células solares. De hecho, por muchas de las mismas razones, el silicio es, con mucho, el material más común en las células solares en la actualidad, y es atractivo como base para un despliegue más amplio de energía fotovoltaica en el futuro.
Antes del trabajo de NREL, los investigadores creían que los cristales de silicio lo suficientemente pequeños como para producir el efecto multielectrónico no serían prácticos como material fotovoltaico. A nanoescala, las propiedades ópticas del silicio cambian de modo que convierte menos luz del extremo rojo del espectro en electrones. Como resultado, cualquier ganancia de convertir de manera más eficiente la luz azul y ultravioleta se compensaría. Nozik y sus colegas descubrieron que los nanocristales no tenían que ser tan pequeños como se pensaba anteriormente, evitando este problema.
Sin duda, el trabajo de NREL es solo un primer paso. Hacer células solares que aprovechen la generación de múltiples electrones es un desafío. Eso se debe a que los electrones adicionales tienen una vida muy corta, lo que dificulta su extracción de los nanocristales para generar una corriente eléctrica. De hecho, esto ha resultado tan difícil que la evidencia del efecto proviene de métodos indirectos como la espectroscopia en lugar de la corriente generada por una célula solar. El uso de medidas indirectas ha llevado a algunos expertos destacados a cuestionar si los electrones adicionales se están produciendo realmente, aunque Nozik dice que el efecto se ha confirmado utilizando múltiples técnicas. Nozik y sus colegas ahora están trabajando para fabricar células solares a partir de nanocristales de silicio (están explorando una serie de diseños novedosos) y dice que recientemente han realizado mediciones directas que indican que sus células están liberando múltiples electrones por fotón absorbido. (Sus resultados aún no se han publicado).
Honsberg es cautelosamente optimista y califica el hallazgo del efecto de múltiples electrones en los nanocristales de silicio como un gran avance, pero solo uno de los tres o cuatro necesarios para producir células solares baratas y supereficientes.