- Investigadores holandeses descubren que las células solares de perovskita basadas en estaño pueden ralentizar la pérdida de calor.
- El estudio muestra que la energía de los electrones calientes puede extenderse hasta la escala de nanosegundos, elevando el techo de eficiencia.
- El cuello de botella de los fonones calientes y el efecto Burstein-Moss ralentizan conjuntamente el proceso de enfriamiento.
- Los materiales basados en estaño son no tóxicos y ecológicos, lo que los hace adecuados para la conversión solar de alta eficiencia.
Investigadores de la Universidad de Groningen, en los Países Bajos, han descubierto que las células solares de perovskita basadas en estaño pueden ralentizar la pérdida de calor de los «electrones calientes» de alta energía, lo que podría permitir que la eficiencia de las células solares superase el límite teórico del 33%. Cuando la luz solar incide sobre un panel, los fotones ponen en movimiento a los electrones. Los fotones más energéticos generan electrones calientes sobrealimentados. En teoría, estas fuentes de energía de alto voltaje deberían producir más electricidad. Sin embargo, en la práctica, estas partículas de alta energía solo existen durante un tiempo extremadamente breve, ya que se enfrían en una billonésima de segundo, liberando el exceso de energía en forma de calor residual sin llegar a abandonar el material de la célula solar.
Jan Anton Koster, profesor de física de nuevos semiconductores y dispositivos en la Universidad de Groningen, señaló: «Esto significa que la energía se pierde antes de que los electrones calientes abandonen el material de la célula solar».
Un avance en la prolongación de la energía de los electrones calientes
El equipo de investigación colaboró con Maria Antonietta Loi, profesora de física y optoelectrónica, para crear un montaje experimental. Utilizando un material especializado para células solares conocido como perovskita basada en estaño, el laboratorio de Loi logró lo que muchos consideraban imposible: ralentizar la pérdida de calor en un factor de 1,000. De repente, la energía adicional se mantenía durante intervalos de nanosegundos en lugar de desaparecer en la escala de picosegundos. Los escépticos expresaron sus dudas de inmediato, e incluso los propios investigadores dudaron de sus datos.
Koster reconoce: «Incluso empezamos a dudar de nuestras propias mediciones». Para resolver este enigma, Koster y el doctorando Tim Faber elaboraron simulaciones digitales que profundizan en el plano cuántico, descubriendo un sorprendente mecanismo de doble acción en funcionamiento.
En primer lugar, el «cuello de botella de los fonones calientes» crea una trampa de calor. A medida que los electrones liberan calor, el entorno se calienta rápidamente, hasta el punto de que los electrones terminan reabsorbiendo la energía que habían perdido. En segundo lugar, el «efecto Burstein-Moss» genera un atasco atómico. Como los estados de baja energía ya están saturados de electrones excitados, las vías de descenso quedan bloqueadas. Ambos mecanismos ralentizan conjuntamente el enfriamiento, y los resultados de las simulaciones coinciden plenamente con los retrasos de nanosegundos observados en el laboratorio.
Características de las perovskitas basadas en estaño
El estudio, que combinó simulaciones de Monte Carlo y técnicas de fotoluminiscencia con resolución temporal, muestra que el llenado de bandas junto con el cuello de botella de los fonones calientes explica los tiempos de enfriamiento extraordinariamente largos de los portadores calientes en las perovskitas de haluros metálicos basadas en estaño. Mediante simulaciones computerizadas avanzadas y mediciones basadas en luz, los investigadores descubrieron que los materiales solares basados en estaño pueden conservar la energía adicional durante periodos mucho más largos de lo habitual. Estos materiales especializados pueden emplearse para construir una nueva generación de células solares de ultra alta eficiencia. Las perovskitas de haluros metálicos basadas en estaño son materiales cristalinos no tóxicos y respetuosos con el medio ambiente, aptos para una conversión solar eficiente.
Estos semiconductores avanzados presentan una estructura tridimensional de cristal especialmente diseñada, en la que los iones de estaño se combinan con halógenos y componentes orgánicos o inorgánicos. El material posee una masa electrónica inusualmente baja, lo que permite que las cargas se muevan con rapidez y conserven energía térmica adicional durante periodos prolongados. Esta amplia absorción de luz, el eficiente movimiento de las cargas y la capacidad prolongada de retención de energía convierten a estos materiales en los mejores candidatos para la próxima generación de células solares. Todavía falta tiempo para que las células solares comercializadas puedan recolectar este calor persistente. «Quedan muchas otras cuestiones por resolver, pero, en teoría, este descubrimiento podría hacer posible la creación de células solares más eficientes que superen el límite teórico del 33%».
afirmó el equipo de investigación. Los resultados del estudio se han publicado en la revista «ACS Energy Letters».
Posible impacto de esta investigación en la tecnología solar
El descubrimiento revolucionario de esta investigación tiene implicaciones significativas para el futuro de la tecnología solar. Al prolongar el tiempo durante el cual persiste la energía de los electrones calientes, los investigadores podrían impulsar la eficiencia de las células solares más allá de los límites teóricos actuales, lo que tendría un impacto positivo en el desarrollo de las energías renovables. Los materiales de perovskita basados en estaño no solo son respetuosos con el medio ambiente, sino que también pueden ofrecer una mayor eficiencia de conversión energética durante su comercialización, lo que fomentará aplicaciones más amplias e innovación tecnológica.