La tecnología de multiplicación de energía solar permite a las células solares superar el límite de rendimiento

El planeta puede recibir una enorme cantidad de energía solar, pero las células solares existentes solo pueden capturar una pequeña parte de ella; durante mucho tiempo, la eficiencia de conversión energética ha estado limitada. Un equipo de investigación de la Universidad de Kyushu en Japón y de la Universidad Johannes Gutenberg de Alemania colabora para desarrollar un compuesto metálico a base de molibdeno, es decir, un “emisor de inversión de espín”, y logra la multiplicación de la energía mediante fisión de estado singlete (SF), alcanzando un rendimiento cuántico de aproximadamente 130%, rompiendo el límite tradicional del 100%. El artículo relacionado se publicó en el último número de la Journal of the American Chemical Society, aportando nuevas posibilidades para el desarrollo de células solares de alto rendimiento.

El proceso de generación de electricidad de una célula solar es como una carrera de relevos a escala microscópica. Los fotones de la luz solar impactan un semiconductor, transfiriéndoles la energía a los electrones, que se excitan y generan una corriente. Por lo general, un fotón en un semiconductor solo puede excitar, como máximo, a un electrón para formar un excitón, y la capacidad de los fotones es desigual. Los fotones infrarrojos de baja energía no pueden excitar electrones; los fotones de alta energía, como los de luz azul, desperdician su energía excedente en forma de calor. Por lo tanto, una célula solar suele aprovechar solo alrededor de 1/3 de la luz solar. Este límite se conoce como el “límite de Shockley–Queisser” y ha desconcertado durante mucho tiempo a los científicos.

Mediante el proceso de SF, los excitones de estado singlete de alta energía pueden dividirse en dos excitones de estado triplete de baja energía, lo que en teoría duplica la energía. Sin embargo, en aplicaciones reales, los excitones generados por la multiplicación se disipan con facilidad a través de un mecanismo llamado “transferencia resonante de energía de Förster” (FRET). Para resolver este problema, los investigadores combinan el material de SF con el compuesto de inversión de espín a base de molibdeno, logrando una captura selectiva de los excitones multiplicados mediante un control preciso de los niveles energéticos, con el fin de suprimir la pérdida de energía.

Esta tecnología les permite lograr por primera vez en condiciones de laboratorio un rendimiento cuántico superior al 100%. El equipo emparejó el material tetraceno de difenilo de trifenileno (cuatro pentaceno de benceno) con el compuesto a base de molibdeno en una solución, y el rendimiento cuántico alcanzó aproximadamente 130%, es decir, por cada fotón absorbido, se excita alrededor de 1.3 del compuesto a base de molibdeno, lo que muestra una capacidad de recolección de energía que supera el límite tradicional.

En la actualidad, esta investigación todavía se encuentra en la fase de prueba de concepto. El equipo planea integrar dos tipos de materiales en un sólido para lograr una transferencia de energía más eficiente y, finalmente, aplicarla a células solares reales. Además, esta estrategia tecnológica también se espera que impulse el desarrollo de diodos emisores de luz y de los próximos dispositivos cuánticos, abriendo nuevas ideas para el uso eficiente de la energía lumínica y las tecnologías de energías renovables. (Corresponsal: Zhang Jiaxin)

(Diario de Ciencia y Tecnología)