Ciencia y salud

Por José Antonio Lozano Teruel

La superconversión de luz solar en electricidad

Los graves problemas energéticos y de calentamiento global de la Tierra pueden ser corregidos por los avances científicos si los responsables políticos y sociales de las naciones apostaran por ello.

La superconversión de luz solar en electricidad
Los graves problemas energéticos y de calentamiento global de la Tierra pueden ser corregidos por los avances científicos si los responsables políticos y sociales de las naciones apostaran por ello.
 
Una de las soluciones es el uso masivo de la energía fotovoltaica. Y en este campo se están realizando avances espectaculares. Hoy vamos a referir a una nueva esperanzadora posibilidad que acaban de dar a conocer un equipo ruso-estadounidense de ocho investigadores en la revista Nature Photonics, en un artículo con el poco atrayente título (para los profanos en el tema de  “Power conversion efficiency exceeding the Shockley–Queisser limit in a ferroelectric insulatorinvestigador”. El equipo investigador incluye científicos de la Universidad Drexel, el Instituto Shubnikov de Cristalografía de la Academia Rusa de Ciencias, de la Universidad de Pensilvania y del Laboratorio de Investigaciones Navales de la Marina Estadounidense
 
En esencia, se trata de que han demostrado la posibilidad de realizar conversiones de luz en electricidad con rendimientos que superar el límite que hasta ahora se consideraba insuperable, conocido como “límite de Shockley Queisser”, hecho que puede revolucionar el futuro del uso de las energías fotovoltaicas.
 
Intentemos explicarlo. El límite Shockley–Queisser, establecido en 1961, designa la máxima eficiencia teórica de una célula fotovoltaica basada en una unión p-n, que es la estructura fundamental de los componentes electrónicos comúnmente denominados semiconductores, principalmente diodos y transistores. La unión p-n está formada por la unión metalúrgica de dos cristales, generalmente de silicio (Si), de naturalezas P y N según su composición a nivel atómico. Estos tipos de cristal se obtienen al dopar cristales de metal puro intencionadamente con impurezas, normalmente con algún otro metal o compuesto químico. Es la base del funcionamiento de la energía solar fotovoltaica.
 
El límite Shockley–Queisser sitúa la eficiencia máxima en el entorno de 33,7%, es decir, que con una energía solar incidente típica (1000 W/m²), solo se convertiría en electricidad unos 337 W/m².  Más aún, como el material más usado en células fotovoltaicas, el silicio, tiene una banda aún más desfavorable, ello rebaja al 29%. el máximo rendimiento actual para células comerciales.
 
El nuevo avance científico se afianza sobre pasos dados anteriormente. En este caso tenemos que retroceder medio siglo y fijarnos en el autor principal de la investigación, el profesor Vladimir M. Fridkin, un científico ruso quien en 1959 completó su master en el Departamento de Física de la Universidad de Moscú y cuya brillante carrera científica hizo que en 1967 ya fuese el jefe del laboratorio de Materiales Electrónicos del Instituto de Cristalografía. Sus trabajos previos a esas fechas le habían llevado al desarrollo de la fotografía infrarroja y a ser uno de los innovadores que posibilitaron la aparición de las primeras fotocopiadoras, una primera máquina de copia “en seco”, por medio de un proceso conocido como xerografía. Según Andrew Rappe, un profesor de química e ingeniería en la Universidad de Pensilvania, “luego se convirtió en un líder en ferroelectricidad y la piezoelectricidad, y preeminente en la comprensión de interacciones de la luz con los materiales ferroeléctricos. Es sorprendente que la misma persona que descubrió estos efectos fotovoltaicos a granel hace casi 50 años ahora está ayudando a aprovecharlos para su uso práctico en los nanomateriales “.
 
Efectivamente. Hace 47 años, Fridkin descubrió un mecanismo físico para convertir la luz en energía eléctrica, mediante un proceso que difiere del método empleado actualmente en las células solares. El mecanismo se basaba en la recogida de los llamados electrones “calientes” – los que llevan la energía adicional en un material fotovoltaico cuando es excitado por la luz del sol – antes de que pierdan su energía. A pesar de que el proceso haya recibido relativamente poca atención hasta hace poco, este llamado “efecto fotovoltaico mayor” ahora podría ser la clave para revolucionar nuestro uso de la energía solar.
 
La investigación recién publicada utiliza un cristal de titanato de bario para convertir luz solar en energía eléctrica de una forma mucho más eficiente que lo que el límite de Shockley-Queisser, permitiendo abrir las posibilidades de la aplicación práctica de ese fenómeno. Ha sido financiado en parte por la Oficina del Ejército de EE.UU. de Investigación, la Oficina de Investigación Naval, el Departamento de Energía de Estados Unidos, y la Fundación Nacional de Ciencia, y los nuevos hallazgos revelan que se podrían desarrollar paneles solares que serían hasta un 50% más eficientes que el límite teórico actual. Si es así, esto podría tener un efecto profundo en la industria de la energía solar.
 
Los detalles íntimos del mecanismo del fenómeno que logra exceder el límite de Shockley-Queisser usando una pequeña fracción del espectro solar, no son fáciles de entender para los no expertos en el campo, pero en palabras de Fridkin es causado por dos mecanismos: “El primero es el efecto fotovoltaico mayor con participación de portadores calientes y segundo es el campo de cribado fuerte, lo que conduce a un impacto de ionización y la multiplicación de estos portadores, aumentando el rendimiento cuántico.”. Esta ionización por impacto, que lleva a la multiplicación de portadores, se puede comparar a una serie de fichas alineadas de dominó en el que cada dominó representa un electrón ligado. Cuando un fotón interactúa con un electrón, se excita el electrón, que, cuando se somete al campo fuerte, acelera y libera otros electrones ligados en su camino, provocando la liberación de los demás. Este proceso continúa sucesivamente – como el establecimiento de múltiples cascadas de fichas de dominó que al volcar la primera va transmitiendo el efecto a todas las restantes.
 
Pero, aunque la explicación técnica sea difícil para personas sin conocimientos técnicos adecuados el resultado final es la posibilidad de la fabricación de paneles solares que conviertan significativamente más luz solar en electricidad que como lo hacen los paneles actuales. Eso significaría energía solar más abundante, a un costo aún más bajo que el actual, disminuyendo notablemente nuestra dependencia de los combustibles fósiles.
 
En resumen, en palabras de Fridkin: “”Este resultado es muy prometedor para el desarrollo de células solares de alta eficiencia basadas ​​en la aplicación de los materiales ferroeléctricos que tienen una brecha de energía en la región de mayor intensidad del espectro solar”.
 
Más en:
 
http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2016.143