NeoFronteras

Consiguen un alto rendimiento en la conversión de luz en electricidad con un fotodiodo creado a partir de un nanotubo de carbono. Se espera que en un futuro se puedan construir células solares a partir de esta tecnología.

En la actual fiebre investigadora en la que vivimos acerca de grafenos, fullerenos y nanotubos de carbono aparece el último hallazgo del campo. Parece que se han dado la vuelta a las cosas y ahora algunos parecen decir eso de «aquí tengo la solución de nanotubos, ¿dónde está el problema (el que sea) que hay que resolver?»
Unos investigadores de la Universidad de Cornell han logrado crear un componente básico, basado en un nanotubo, capaz de convertir la luz en corriente eléctrica de un modo más eficiente que el silicio de las células solares tradicionales.
Los investigadores Paul McEuen y Jiwoong Park, fabricaron, testaron y midieron este componente elemental, que cumple con las funciones de un fotodiodo, aunque todavía se está lejos de un prototipo comercial basado en esta tecnología. El hallazgo se publica en la revista Science. Si logran desarrollar su hallazgo se podría obtener una nueva clase de células fotovoltaicas eficientes.
El equipo de investigadores usó un único nanotubo de carbono para montar este fotodiodo. Un nanotubo de carbono es básicamente una lámina de grafeno enrollada sobre sí misma con un tamaño similar a una molécula de ADN. El trabajo está inspirado por trabajos previos en los que se creó un diodo simple basado en esta tecnología. Un diodo es un componente electrónico que deja pasar la corriente solamente en una dirección. Los extremos de un nanotubo estaban sobre dos contactos eléctricos y cerca de dos puertas eléctricas, una cargada positivamente y otra negativamente (ver figura previa).
Cuando en una célula convencional un fotón de luz llega al silicio excita solamente un electrón que posteriormente puede fluir formando parte de la corriente eléctrica. El resto de la energía del fotón se pierde en forma de calor. Desde hace tiempo se pretende conseguir que un fotón pueda excitar a más de un electrón.
En realidad, cuando un fotón incide sobre la red cristalina se crean excitones, que son pares de electrones (cargados negativamente) y huecos (cargados positivamente). En una célula fotovoltaica también hay que conseguir además que estas cargas de signo opuesto vayan a electrodos opuestos de manera adecuada.
En ciertos materiales como los nanocristales se puede crear más de un excitón por fotón.
En este caso iluminando diferentes áreas del nanotubo con láseres de distinto color los investigadores encontraron que para los fotones de alta energía (alta frecuencia) se producía una alta tasa de conversión eléctrica.
Descubrieron que cada uno de estos fotones era capaz de crear al menos dos excitones. Con una disposición adecuada pudieron conseguir que estas cargas circularan limpiamente por el nanotubo.
En estudios posteriores descubrieron la razón de este rendimiento. Los electrones excitados (y los huecos por su parte) que se mueven por el nanotubo terminan creando nuevos electrones excitados que también fluyen, produciéndose un efecto en cascada (lo mismo pasa con los huecos que crean más huecos).

Ilustración en la cual se representa como, en el fotodiodo de nanotubo, los electrones (en azul) y los huecos (en rojo) liberan su exceso de energía eficientemente, creando más pares electrón-hueco (excitones). Foto: Nathan Gabor.

Un fotodiodo de este tipo podría formar parte de una célula fotovoltaica ideal porque permite a los electrones en circulación crear más que hagan lo mismo a costa de la energía luminosa que llega.
El problema de las células solares es que tienen un rendimiento bajo. Sólo una parte de la energía luminosa que les llega es convertida en corriente eléctrica, y el resto se pierde en forma de calor. Este rendimiento se mide por el porcentaje de energía solar que es convertida en energía eléctrica. Con tecnología de silicio cristalino se llega a rendimientos cercanos al 20%, mientras que con semiconductores exóticos se ha llegado a rendimientos superiores al 40% (en el laboratorio) en células multicapas muy caras.
Pero escalar esta nueva tecnología hasta el nivel comercial de tal modo que sea económico y fiable es todo un reto y para nada es fácil. De momento este efecto sólo lo logran a una temperatura de 60 kelvins, muy por debajo de la temperatura de trabajo de cualquier célula solar.

Fuentes y referencias:
Nota de prensa.