La energía solar desempeña un papel importante en los esfuerzos por reducir la dependencia de los combustibles fósiles y combatir el cambio climático. El sol entrega una enorme cantidad de energía a la Tierra en cada momento, pero las células solares modernas capturan sólo una fracción de ella. Esta limitación se debe a un “techo físico” de larga data y difícil de superar.
Publicado en investigación Revista de la Sociedad Química Estadounidense El 25 de marzo, científicos de la Universidad Kyushu de Japón, en colaboración con colaboradores de la Universidad Johannes Gutenberg (JGU) de Mainz de Alemania, desarrollaron una nueva forma de superar esta barrera. Utilizan un complejo metálico a base de molibdeno conocido como emisor “spin-flip” para capturar el exceso de energía generado a través de la fisión singlete (SF), a menudo descrita como una “tecnología de ensueño” para mejorar la conversión de luz.
Con este enfoque, el equipo logró una eficiencia de conversión de energía de aproximadamente el 130 %, superando el límite tradicional del 100 % y apuntando hacia una tecnología solar más avanzada.
Cómo funcionan las células solares y por qué se pierde energía
Las células solares generan electricidad cuando los fotones de la luz solar chocan contra un semiconductor y transfieren energía a los electrones, moviéndolos y creando una corriente eléctrica. Este proceso se puede comparar con un carrete, donde la energía se transmite de una partícula a otra.
Sin embargo, no todos los fotones son igualmente útiles. Los fotones infrarrojos de baja energía no tienen suficiente energía para activar los electrones, mientras que los fotones de alta energía, como la luz azul, pierden su exceso de energía en forma de calor. Debido a esto, las células solares pueden utilizar aproximadamente un tercio de la luz solar entrante. Esta limitación se conoce como límite de Shockley-Queisser y sigue siendo un desafío importante.
La fisión singlete ofrece una forma de multiplicar la energía
“Tenemos dos estrategias principales para superar este límite”, afirmó Yoichi Sasaki, profesor asociado de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Kyushu. “Una es convertir fotones infrarrojos de baja energía en fotones visibles de alta energía. La otra, que exploramos aquí, es usar SF para crear dos excitones a partir de un solo fotón excitón”.
En condiciones normales, cada fotón produce sólo un excitón singlete de espín tras la excitación. Con SF, este excitón singlete se puede dividir en dos excitones tripletes de espín de menor energía, duplicando efectivamente la energía disponible. Aunque algunos materiales como el tetraceno pueden respaldar este proceso, ha resultado difícil capturar eficientemente estos excitones.
Superar la pérdida de energía de FRET
“La energía se puede ‘robar’ fácilmente mediante un proceso llamado transferencia de energía por resonancia de Förster (FRET) antes de que se produzca la multiplicación”, explica Sasaki. “Por eso necesitábamos un aceptor de energía que captara selectivamente los excitones tripletes multiplicados después de la fisión”.
Para combatir este problema, los investigadores han recurrido a complejos metálicos, que pueden diseñarse con precisión. Identificaron un emisor “spin-flip” a base de molibdeno como una solución viable. En este sistema, un electrón cambia su espín durante la absorción o emisión de luz infrarroja cercana, lo que le permite capturar la energía triplete generada por el SF.
Al ajustar cuidadosamente los niveles de energía, el equipo minimizó las pérdidas de FRET y permitió la extracción eficiente de múltiples excitones.
Colaboración y éxito experimental.
“Sin el grupo Heinze en JGU Mainz no habríamos llegado a este punto”, afirma Sasaki. Adrian Sauer, un estudiante de posgrado en el grupo de intercambio de la Universidad de Kyushu y segundo autor del artículo, llamó la atención del equipo sobre un material estudiado allí durante mucho tiempo, lo que condujo a la colaboración.
Cuando se combina con materiales a base de tetraceno en solución, el sistema recolecta energía con éxito con un rendimiento cuántico de aproximadamente el 130%. Esto significa que se activaron alrededor de 1,3 complejos metálicos a base de molibdeno por cada fotón absorbido, superando el límite habitual y demostrando que se produjeron más portadores de energía que el fotón entrante.
Futuras aplicaciones de la tecnología solar y cuántica
Esta investigación introduce una nueva técnica para amplificar excitones, aunque aún se encuentra en la etapa de prueba de concepto. El equipo tiene como objetivo integrar estos materiales en sistemas de estado sólido para mejorar la transferencia de energía y acercarse a aplicaciones prácticas de células solares.
Los resultados pueden estimular más investigaciones sobre combinaciones de fisión singlete y complejos metálicos, con aplicaciones potenciales no sólo en energía solar sino también en LED y tecnologías cuánticas emergentes.
