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Superefficient Solar from Nanotubes
Las células solares de hoy pierden gran parte de la energía de la luz para calentar. Ahora, los investigadores de la Universidad de Cornell han hecho una celda fotovoltaica con un solo nanotubo de carbono que puede aprovechar más energía de la luz que la energía fotovoltaica convencional. Los diminutos tubos de carbono podrían eventualmente usarse para fabricar células solares de próxima generación más eficientes.
Células tubulares: el nanotubo de carbono en el centro está conectado a varios electrodos y actúa como una célula fotovoltaica supereficiente.
El principal factor limitante en una célula solar es que cuando absorbe un fotón de alta energía, pierde energía para calentar y no hay forma de recuperarlo, dice Matthew Beard , científico senior del Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Golden, CO. La pérdida de energía por calor limita la eficiencia de las mejores células solares a alrededor del 33 por ciento. El material que se puede convertir con una eficiencia mucho mayor cambiará las reglas del juego, dice Beard.
Investigadores liderados por Paul McEuen , profesor de física en Cornell, comenzó colocando un solo nanotubo en un circuito y dándole tres contactos eléctricos llamados puertas, uno en cada extremo y otro debajo. Usaron las puertas para aplicar un voltaje a través del nanotubo, luego lo iluminaron con luz. Cuando un fotón golpea el nanotubo, transfiere parte de su energía a un electrón, que luego puede fluir a través del circuito desde el nanotubo. Este proceso de un fotón y un electrón es lo que ocurre normalmente en una célula solar. Lo que es inusual acerca de la célula de nanotubos, dice McEuen, es lo que sucede cuando pones lo que él llama un fotón grande, un fotón cuya energía es dos veces mayor que la energía que normalmente se requiere para sacar un electrón de la célula. En las células convencionales, esta es la energía que se pierde en forma de calor. En el dispositivo de nanotubos, lanza un segundo electrón al circuito. El trabajo fue descrito la semana pasada en la revista. Ciencias .
Existe evidencia de que otra clase de nanomateriales llamados puntos cuánticos también pueden convertir la energía de un fotón en más de un electrón. Sin embargo, crear células operativas de puntos cuánticos que puedan hacer esto ha demostrado ser un gran obstáculo, dice Beard, cuyo laboratorio, dirigido por Arthur Nozik , está trabajando en el problema. Uno de los desafíos con la energía solar de puntos cuánticos es que es muy difícil conseguir que los electrones liberados salgan del punto cuántico y entren en un circuito externo. El sistema se está burlando de ti; no puede sacar esos operadores de carga, entonces, ¿cuál es el punto? dice Ji Ung Lee , profesor de ingeniería a nanoescala en la Universidad Estatal de Nueva York en Albany. El grupo de McEuen ha demostrado esto en un sistema en el que poder saque los portadores adicionales.
McEuen advierte que su trabajo sobre energía fotovoltaica de nanotubos de carbono es fundamental. Hemos fabricado la celda solar más pequeña del mundo, y eso no es necesariamente algo bueno, dice. Para aprovechar la supereficiencia de los nanotubos, los investigadores primero tendrán que desarrollar métodos para hacer grandes conjuntos de diodos. No estamos en un punto en el que podamos escalar los nanotubos de carbono, pero ese debería ser el objetivo final, dice Lee, quien desarrolló los primeros diodos de nanotubos mientras era investigador en General Electric.
No está claro por qué la celda fotovoltaica de nanotubos ofrece esta conversión de energía de dos por uno. Es misterioso para nosotros, dice McEuen. Sin embargo, la razón más probable es que mientras que los materiales solares convencionales tienen solo un nivel de energía para que los electrones se muevan, los nanotubos de carbono tienen varios. Y dos de ellos coinciden muy bien: uno de los niveles de energía, o bandgaps, es dos veces más alto que el otro. Es posible que hayamos tenido suerte y tiene muy poco que ver con el hecho de que es un nanotubo de carbono, dice McEuen. Esto significa, espera McEuen, que incluso si resulta demasiado difícil hacer matrices de células solares de nanotubos, los científicos de materiales pueden buscar pares de materiales que tengan este tipo de bandgaps coincidentes y colocarlos en capas para hacer células solares que hagan con dos materiales lo que las células de un solo nanotubo pueden hacer. Quizás la respuesta no esté en nanotubos, sino en otro par de materiales, dice McEuen.