Un imitador de la fotosíntesis podría mejorar las células solares
El nuevo enfoque mueve la energía de forma eficiente y podría reducir las pérdidas de energía al convertir la luz en electricidad
Un tipo de semiconductor relativamente nuevo, colocado sobre una estructura similar a un espejo, puede imitar el modo en que las hojas trasladan la energía del sol a distancias relativamente largas antes de utilizarla para alimentar reacciones químicas. Este método podría mejorar algún día la eficiencia de las células solares.
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"El transporte de energía es uno de los pasos cruciales para la recolección y conversión de la energía solar en las células solares", afirma Bin Liu, investigador postdoctoral en ingeniería eléctrica e informática y primer autor del estudio publicado en la revista Optica.
"Hemos creado una estructura que puede soportar estados híbridos de mezcla de luz y materia, lo que permite un transporte de energía eficiente y de alcance excepcionalmente largo".
Una de las formas en que las células solares pierden energía es en las corrientes de fuga generadas en ausencia de luz. Esto ocurre en la parte de la célula solar que toma los electrones cargados negativamente y los "huecos" cargados positivamente, generados por la absorción de la luz, y los separa en una unión entre diferentes semiconductores para crear una corriente eléctrica.
En una célula solar convencional, el área de unión es tan grande como el área que recoge la luz, de modo que los electrones y los huecos no tienen que ir muy lejos para alcanzarla. Pero el inconveniente es la pérdida de energía por esas corrientes de fuga.
La naturaleza minimiza estas pérdidas en la fotosíntesis con grandes "complejos de antenas" que recogen la luz en los cloroplastos y los "centros de reacción", mucho más pequeños, donde se separan los electrones y los agujeros para utilizarlos en la producción de azúcar. Sin embargo, estos pares de electrones y huecos, conocidos como excitones, son muy difíciles de transportar a largas distancias en los semiconductores.
Liu explicó que los complejos fotosintéticos pueden lograrlo gracias a sus estructuras altamente ordenadas, pero los materiales fabricados por el hombre suelen ser demasiado imperfectos.
El nuevo dispositivo sortea este problema al no convertir los fotones completamente en excitones, sino que mantienen sus cualidades lumínicas. La mezcla de fotón-electrón-hueco se conoce como polaritón. En forma de polaritón, sus propiedades similares a la luz permiten que la energía atraviese rápidamente distancias relativamente grandes, de 0,1 milímetros, que es incluso más lejos que las distancias que recorren los excitones dentro de las hojas.
El equipo creó los polaritones colocando el fino semiconductor que absorbe la luz sobre una estructura fotónica que se asemeja a un espejo, y luego lo iluminó. Esa parte del dispositivo actúa como el complejo de antenas de los cloroplastos, recogiendo la energía de la luz en una gran superficie. Con la ayuda de la estructura en forma de espejo, el semiconductor canaliza los polaritones hacia un detector, que los convierte en corriente eléctrica.
"La ventaja de esta disposición es que tiene el potencial de mejorar en gran medida la eficiencia de generación de energía de las células solares convencionales, en las que las regiones de captación de luz y de separación de carga coexisten en la misma área", dijo Stephen Forrest, el profesor universitario distinguido de ingeniería Peter A. Franken, que dirigió la investigación.
Aunque el equipo sabe que el transporte de energía se produce en su sistema, no está totalmente seguro de que la energía se mueva continuamente en forma de polaritón. Podría ser que el fotón surfeara sobre una serie de excitones en su camino hacia el detector. Dejan este detalle fundamental para futuros trabajos, así como la cuestión de cómo construir dispositivos de captación de luz eficientes que aprovechen la transferencia de energía similar a la de la fotosíntesis.
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