Nuevos materiales mejoran las celdas solares de silicio

Unos investigadores del MIT han demostrado que las celdas solares de silicio de una sola capa podrían convertir hasta el 35% de la energía solar en electricidad útil, un aumento del 29% respecto al límite de eficiencia actual (Nature 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1339-4). El truco, dicen, reside en encontrar la combinación correcta de materiales que les permite aprovechar un fenómeno predicho hace unos 40 años.

Los semiconductores como el silicio destacan por convertir algunas, pero no todas, las longitudes de onda de la luz en electricidad. El rango de longitudes de onda que un semiconductor puede usar para generar electricidad depende de una propiedad eléctrica inherente del material, llamadas bandas de energía. Cuando estos materiales absorben longitudes de onda con más energía que las de ese rango específico, la energía sobrante se pierde en forma de calor. Las celdas solares podrían funcionar de manera más eficiente y producir más electricidad si los investigadores pudieran aumentar ese rango de longitudes de onda.

Para conseguirlo, investigadores dirigidos por Marc Baldo, un ingeniero eléctrico del MIT, han recurrido a los fundamentos. Cuando un fotón golpea una célula solar, excita un par de cargas negativas y positivas: un electrón y un “hueco”. Este paquete de cargas es una cuasipartícula llamada excitón. En el silicio, los excitones se separan rápidamente a medida que los electrones se unen al flujo de corriente. Pero en otros materiales, entre los que se incluye el semiconductor orgánico de cuatro anillos llamado tetraceno, los excitones son capaces de realizar movimientos más exóticos. A través de un proceso llamado fisión de excitones, un excitón con un espín cuántico particular puede dividirse en dos excitones de menor energía con diferentes espines. Cada uno de los excitones resultantes lleva la mitad de la energía del original.

La fisión del excitón en tetraceno podría ayudar a expandir el rango de longitudes de onda que una celda solar de silicio puede utilizar para generar electricidad porque los excitones resultantes tienen niveles de energía compatibles con ese material. Por lo tanto, el tetraceno podría absorber la luz con la que el silicio no sabe qué hacer, excitarse y luego donar esa energía al silicio en forma de excitones compatibles, excitando el silicio para producir más electricidad de la que es capaz de generar de otra manera. Este emparejamiento fue propuesto por primera vez en 1979 por el químico David Dexter (J. Lumin., DOI: 10.1016/0022-2313(79)90235-7). Baldo dice que en ese momento, “no existía la tecnología necesaria para construir una celda de silicio diseñada para este proceso”.

El laboratorio de Baldo lleva buscando la solución desde 2009. El tetraceno y el silicio necesitan un mediador. El reto ha sido encontrar el correcto. La superficie del silicio es un bosque de enlaces que debe recubrirse con una capa protectora para que el material permanezca puro. Esta protección, llamada capa de pasivación, no puede ser eliminada. Pero estas capas protectoras normalmente alteran el flujo de cargas entre el silicio y el tetraceno.

Tras años de trabajo, el equipo del MIT descubrió que una película de oxinitruro de hafnio de poco menos de un nanómetro de grosor pasiva el silicio pero permite que las cargas salgan del tetraceno. El grupo de Baldo ha demostrado ahora que estos tres materiales pueden juntarse en una celda solar funcional. Los investigadores estiman que una celda solar que contenga tetraceno podría tener un límite de eficiencia teórica del 35%.

“No hay nada parecido a esto en energía solar”, dice Baldo. La forma en que el tetraceno divide los excitones a la mitad, haciendo dos nuevos más adecuados para las celdas solares de silicio—y la posibilidad de aplicar esta física básica en un producto comercial real—es lo que ha mantenido a Baldo motivado para trabajar en este problema durante una década.

Christopher Bardeen, fotoquímico de la Universidad de California en Riverside, también está entusiasmado con los resultados del equipo. Señala que el grupo de Baldo ha demostrado previamente la fisión de excitones en celdas solares orgánicas, y que otros han estado trabajando en ello en otras tecnologías solares emergentes, como las celdas solares sensibilizadas con colorante. Pero esta reciente investigación es la primera demostración en silicio, dice Bardeen.

Hasta ahora, la eficiencia de las celdas de silicio no es nada de lo que se pueda presumir, dice Baldo. Los dispositivos funcionan peor que la tecnología de silicio existente. El mayor desafío es que los excitones que salen del tetraceno tienden a fusionarse entre sí más rápido que lo que tardan en viajar al silicio.

El químico de la Universidad de Columbia, Luis Campos, dice que su grupo y otros están trabajando con tetraceno y otras moléculas orgánicas para extender la vida útil de los excitones divididos. El artículo de Baldo “es una gran luz verde para que los químicos orgánicos digan ‘Sí, deberíamos investigar esto’”. El problema de la recombinación del excitón es difícil. “Es una pequeña barrera”, dice. “Pero solo necesitamos un túnel que la atraviese.