Investigadores de la Universidad de Kansas han logrado un gran avance en la comprensión de los semiconductores orgánicos y sugieren células solares más eficientes y versátiles.
Durante años, el silicio dominó el panorama de la energía solar. Su eficiencia y durabilidad lo han convertido en el material preferido para los paneles fotovoltaicos. Sin embargo, las células solares basadas en silicio son rígidas y costosas de producir, lo que limita su potencial para superficies curvas.
Semiconductores orgánicos, estos materiales a base de carbono ofrecen una alternativa viable a menor costo y con mayor flexibilidad. «Pueden reducir potencialmente el coste de producción de paneles solares porque estos materiales pueden recubrirse sobre superficies arbitrarias utilizando métodos basados en soluciones, como pintar una pared», explicó Wai-Lun Chan, profesor asociado de física y astronomía en la Universidad de Kansas. .
Pero estos semiconductores orgánicos no sirven sólo para ahorrar costes. Cuentan con la capacidad de sintonizarse para absorber longitudes de onda de luz específicas, lo que abre una multitud de nuevas posibilidades. «Estas características hacen que los paneles solares orgánicos sean especialmente adecuados para su uso en edificios ecológicos y sostenibles de próxima generación», señaló Chan. Imagine paneles solares transparentes y coloridos, perfectamente integrados en diseños arquitectónicos.
A pesar de todas estas ventajas, las células solares orgánicas han tenido dificultades para igualar la eficiencia de sus homólogas de silicio. Mientras que los paneles de silicio pueden convertir hasta el 25% de la luz solar en electricidad, las células orgánicas normalmente han rondado el 12% de eficiencia. Esta brecha ha demostrado ser un obstáculo importante para la adopción generalizada.
Liberando la eficiencia
Los acontecimientos recientes han rejuvenecido el entusiasmo que rodea a los semiconductores orgánicos. Una nueva clase de materiales llamados aceptores no fullerenos (NFA, por sus siglas en inglés) ha llevado la eficiencia de las células solares orgánicas más cerca del 20%, reduciendo la brecha con el silicio.
El equipo de investigación de Kansas se propuso comprender por qué los NFA funcionan mucho mejor que otros semiconductores orgánicos. La investigación condujo a un descubrimiento sorprendente: en determinadas circunstancias, los electrones excitados en los NFA pueden obtener energía de su entorno en lugar de perderla.
Este hallazgo va en contra de la sabiduría convencional. «Esta observación es contradictoria porque los electrones excitados normalmente pierden su energía en su entorno como una taza de café caliente pierde su calor en su entorno», explicó Chan.
Dirigido por el estudiante de posgrado Kushal Rijal, el equipo experimentó con una técnica sofisticada llamada espectroscopia de fotoemisión de dos fotones con resolución temporal. Este método les permitió rastrear la energía de los electrones excitados en menos de una billonésima de segundo.
Un aliado improbable
Los investigadores creen que esta inusual ganancia de energía surge de una combinación de mecánica cuántica y termodinámica. A nivel cuántico, puede parecer que los electrones excitados existen en múltiples moléculas simultáneamente.
Este comportamiento cuántico, junto con la segunda ley de la termodinámica, invierte la dirección del flujo de calor.
«Para las moléculas orgánicas organizadas en una estructura nanoescalar específica, la dirección típica del flujo de calor se invierte de modo que la entropía total aumenta», explicó Rijal en un comunicado de prensa. “Este flujo de calor inverso permite que los excitones neutros ganen calor del ambiente y se disocian en un par de cargas positivas y negativas. Estas cargas gratuitas pueden, a su vez, producir corriente eléctrica”.
Más allá de las células solares
Además de mejorar las células solares, el equipo cree que sus hallazgos son aplicables en otras áreas de la investigación de energías renovables. Creen que el mecanismo descubierto conducirá a fotocatalizadores más eficientes para convertir el dióxido de carbono en combustibles orgánicos.
«Aunque la entropía es un concepto bien conocido en física y química, rara vez se ha utilizado activamente para mejorar el rendimiento de los dispositivos de conversión de energía», enfatizó Rijal.
Los hallazgos del equipo fueron publicados en la revista. Materiales avanzados.
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