Químicos proponen un material ultrafino para duplicar la eficiencia de las células solares
Fabricar células solares no a partir de silicio, sino de un material natural abundante llamado disulfuro de molibdeno.
Las tecnologías de energía solar, que utilizan células solares para convertir la luz del sol en electricidad o combustibles almacenables, están ganando impulso en un mundo que mira más allá de los combustibles fósiles para cubrir sus necesidades energéticas.
Los investigadores de la CSU Yusef Farah y Rachelle Austin con el espectrómetro de absorción transitoria ultrarrápida de sonda de bombeo que utilizaron para medir las propiedades de los portadores de carga de las películas delgadas de disulfuro de molibdeno.
John Eisele/Colorado State University
Los paneles solares de color azul oscuro que hoy salpican tejados y campos abiertos suelen estar hechos de silicio, un material semiconductor de eficacia probada. Sin embargo, la tecnología fotovoltaica de silicio tiene sus limitaciones: pierde hasta el 40% de la energía que capta de la luz solar en forma de calor residual. Investigadores de la Universidad Estatal de Colorado estudian nuevas formas radicales de mejorar la energía solar y ofrecer más opciones a la industria.
Los químicos de la CSU proponen fabricar células solares no con silicio, sino con un material natural abundantemente disponible llamado disulfuro de molibdeno. Mediante una creativa combinación de técnicas fotoelectroquímicas y espectroscópicas, los investigadores llevaron a cabo una serie de experimentos que demostraron que unas películas extremadamente finas de disulfuro de molibdeno presentan unas propiedades de portador de carga sin precedentes que algún día podrían mejorar drásticamente las tecnologías solares.
Los experimentos fueron dirigidos 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 del Departamento de Química, y Amber Krummel, profesora asociada del mismo departamento. Farah es un antiguo estudiante de doctorado del laboratorio de Krummel. Su trabajo se publica en Proceedings of the National Academy of Sciences.
La colaboración reunió los conocimientos de Sambur en conversión de energía solar mediante materiales a nanoescala y los de Krummel en espectroscopia láser ultrarrápida, para entender cómo se estructuran y comportan los distintos materiales. El laboratorio de Sambur se había interesado por el sulfuro de molibdeno como posible material solar alternativo a partir de datos preliminares sobre su capacidad de absorción de la luz incluso con sólo tres átomos de grosor, explica Austin.
Fue entonces cuando acudieron a Krummel, cuyo laboratorio cuenta con un espectrómetro de absorción transitoria ultrarrápida de sonda de bombeo que puede medir con gran precisión los estados de energía secuenciales de electrones individuales cuando se excitan con un pulso láser. Los experimentos con este instrumento especial permiten obtener instantáneas de cómo fluyen las cargas en un sistema. Austin creó una célula fotoelectroquímica con una sola capa atómica de sulfuro de molibdeno, y ella y Farah utilizaron el láser de sonda de bombeo para seguir el enfriamiento de los electrones a medida que se desplazaban por el material.
El resultado fue una conversión de luz en energía asombrosamente eficaz. Y lo que es más importante, los experimentos de espectroscopia láser les permitieron demostrar por qué era posible esta conversión tan eficiente.
Descubrieron que el material era tan bueno convirtiendo luz en energía porque su estructura cristalina le permitía extraer y explotar la energía de los llamados portadores calientes, que son electrones muy energéticos que se excitan brevemente desde su estado básico cuando reciben suficiente luz visible. Austin y Farah descubrieron que, en su célula fotoelectroquímica, la energía de estos portadores calientes se convertía inmediatamente en fotocorriente, en lugar de perderse en forma de calor. Este fenómeno de extracción de portadores calientes no se da en las células solares de silicio convencionales.
"Este trabajo allana el camino para saber cómo diseñar reactores que contengan estos materiales a nanoescala para una producción de hidrógeno eficiente y a gran escala", afirmó Sambur.
El proyecto contó con la colaboración del profesor Andrés Montoya-Castillo y el Dr. Thomas Sayer, de la Universidad de Colorado Boulder, que aportaron la química teórica y el modelado computacional para ayudar a explicar y verificar los datos experimentales.
"El descubrimiento requirió un planteamiento de 'ciencia en equipo' que reunió muchos tipos diferentes de conocimientos especializados en química computacional, analítica y física", afirmó Krummel.
Los resultados ofrecen a científicos e ingenieros una vía de investigación para explorar nuevos enfoques de las tecnologías de energía solar del futuro". El trabajo ha contado con el apoyo de la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de Estados Unidos.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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