Nuevo diseño para exprimir más energía de las células solares

Exprimir la energía que puede obtenerse de las células solares es posible deformando físicamente cada uno de los cristales en los semiconductores utilizados por las células fotovoltaicas.

Es el hallazgo publicado en Science por físicos de la Universidad de Warwick, que observaron cómo las restricciones físicas en el diseño actual de la mayoría de las células solares comerciales ponen un límite absoluto a su eficiencia.

La mayoría de las células solares comerciales están formadas por dos capas que crean en su límite una unión entre dos tipos de semiconductores, tipo p con portadores de carga positiva (agujeros que pueden llenarse con electrones) y tipo n con portadores de carga negativos (electrones).

Cuando se absorbe la luz, la unión de los dos semiconductores sostiene un campo interno que divide los portadores foto-calentados en direcciones opuestas, generando una corriente y un voltaje a través de la unión. Sin esas uniones, la energía no puede recogerse y los portadores foto-expuestos simplemente se recombinan rápidamente eliminando cualquier carga eléctrica.

Esa unión entre los dos semiconductores es fundamental para obtener energía de una célula solar así, pero tiene un límite de eficiencia. Este límite de ‘Shockley-Queisser’ significa que de toda la energía contenida en la luz solar que cae sobre una célula solar ideal en condiciones idóneas, solo un 33,7 por ciento puede convertirse en electricidad.

Sin embargo, hay otra manera en que algunos materiales pueden recolectar cargas producidas por los fotones del sol o de otros lugares. El efecto fotovoltaico masivo ocurre en ciertos semiconductores y aisladores donde su falta de simetría perfecta alrededor de su punto central (su estructura no centro-simétrica) permite la generación de voltaje que puede ser en realidad más grande que la brecha de bandas de ese material (es el espacio entre el rango más alto de energías de electrones de la banda de valencia en el que los electrones están normalmente presentes a temperatura cero absoluta y la banda de conducción donde puede fluir la electricidad).

AMPLIAR LA GAMA DE MATERIALES

Desafortunadamente, los materiales que se sabe que exhiben el efecto fotovoltaico anómalo tienen una eficiencia de generación de energía muy baja, y nunca se usan en sistemas prácticos de generación de energía. El equipo de Warwick se preguntó si era posible tomar los semiconductores que son efectivos en las células solares comerciales y manipularlos o impulsarlos de alguna manera para que ellos también puedan ser forzados a una estructura no centro-simétrica y, posiblemente, también se beneficien del efecto fotovoltaico masivo.

Para este trabajo decidieron intentar literalmente modificar estos semiconductores en cuanto a la forma usando puntas conductoras de dispositivos de microscopía de fuerza atómica a un «nano-indentador» que luego usaron para exprimir y deformar cristales individuales de Titanato de Estroncio (SrTiO3), Dióxido de Titanio (TiO2) y Silicio (Si). Descubrieron que los tres podrían deformarse de esta manera para darles también una estructura no centrosimétrica y, que, de hecho, podían dar el efecto fotovoltaico masivo.

El profesor Marin Alexe, de la Universidad de Warwick, señala: «Ampliar la gama de materiales que pueden beneficiarse del efecto fotovoltaico masivo tiene varias ventajas: no es necesario formar ningún tipo de unión, se puede seleccionar cualquier semiconductor con mejor absorción de luz para las células solares y, finalmente, el límite termodinámico máximo de la eficiencia de conversión de energía, llamada Shockley-Queisser Limit, se puede superar».

Y añade: «Existen desafíos de ingeniería, pero debería ser posible crear células solares donde un campo de simples puntas de vidrio (cien millones por cm2) pueda mantenerse en tensión para deformar suficientemente cada cristal de semiconductor. Si tal ingeniería futura pudiera agregar incluso un punto porcentual de eficiencia, sería de inmenso valor comercial para los fabricantes de células solares y los proveedores de energía».

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