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Fusión de fotones promete células solares más eficientes

Área: Tecnología — lunes, 23 de octubre de 2006

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La luz verde se transforma en luz azul. Foto: Instituto Max Plack.

Un experimento de óptica cuántica muestra que es posible transformar directamente luz de baja frecuencia en luz de alta frecuencia usando luz normal.
Mediante la combinación de dos sustancias activas frente a la luz los investigadores del Instituto Max Plack para la investigación en polímeros en Maiz y el laboratorio Sony en Stuttgart han conseguido manipular luz normal (como la del sol) para combinar sus fotones y obtener otros con una longitud de onda deseada. Los resultados han sido publicados en la revista Physical Review Letters el 4 de octubre pasado. Este resultado se podría aplicar en la creación de células solares más eficientes.
El rendimiento de una célula solar está limitado, entre otras razones, por el hecho de que la parte de baja energía (baja frecuencia o longitud de onda larga) del espectro luminoso del sol no se utiliza. Esta parte se pierde y no se aprovecha en la producción de electricidad. El diseño de las células solares está pensado para convertir en energía una gama de frecuencias determinada. El espectro solar se compone principalmente de infrarrojo, los diferentes colores de la luz visible y el ultravioleta. Aunque hay células multicapa con cada capa sintonizada para una gama de frecuencias determinada, su precio es muy alto.
Si de algún modo se pudiese transformar la luz de baja frecuencia en alta entonces sería posible utilizar esta última para producir energía a partir de la primera (y que normalmente se desperdicia) en una célula solar normal.
Este logro se había alcanzado anteriormente con un potente haz de luz láser de alta energía bajo ciertas condiciones especiales, pero no con luz normal. En esos experimentos se combinaban dos fotones de baja energía y frecuencia para producir uno diferente de frecuencia y energía mayores.
Aunque el resultado del nuevo proceso es el mismo que para el sistema que utiliza láser, éste está basado en procesos físicos distintos. Pero en este sistema se ha conseguido hacer lo mismo con luz normal. Han conseguido transformar luz verde de una fuente normal de luz en luz azul (ver foto). Para ello han utilizado dos sustancias en disolución: difenilantraceno y un compuesto orgánico de platino.
Las dos sustancias desarrolladas por los investigadores tienen propiedades diferentes. Mientras que una sirve como “antena” para la luz verde la otra emite fotones azules.
Dos moléculas “antena” son necesarias para el proceso completo de dos fotones. Cada una absorbe la energía de un fotón y pasan a un estado excitado de energía. De este modo la energía de los fotones es almacenada durante un tiempo. Luego dos de estas moléculas pasan su exceso de energía a una molécula “emisora” que alcanza un estado excitado con doble energía que los anteriores. Mientras, las “emisoras” quedan en su estado fundamental.
El estado de doblemente excitado es muy inestable y rápidamente decae cuando un fotón azul es emitido por esta molécula, entonces esta molécula “emisora” queda en su estado fundamental lista para repetir el proceso proceso.
Aunque la energía del fotón resultante es mayor que la del fotón verde del que parte no hay generación de energía, sino que la energía de dos fotones son combinadas en uno azul. Se podría decir que es una suerte de “fusión de fotones”.

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Esquema del proceso de transferencia de energía. La antena (representada en verde con el platino en rojo) recibe fotones verdes y trasfiere su energía a la otra molécula (representada en azul) que finalmente emite un fotón azul. Dibujo: Instituto Max Plack para la investigación en polímeros.

Las moléculas “antena” deben de ser diseñadas cuidadosamente para que las energías del estado excitado de las moléculas encajen perfectamente y que en el proceso no se pierda parte de la energía total. Además, la energía de los estados excitados debe de ser almacenada durante un determinado tiempo. Sólo un compuesto orgánico complejo de platino puede realizar esta tarea.
La molécula “emisora” por otro lado debe de tomar la energía de una molécula “antena” excitada y mantenerla hasta que encuentre otra igualmente excitada para realizar la emisión del fotón azul.
En el proceso no se gasta ninguna de estas sustancias, pudiéndose reutilizar estas moléculas indefinidamente.
Esta idea se podría realizar para otros colores pensados para las células solares, y usar esos colores que ahora son desperdiciados para producir electricidad. Los investigadores ya están trabajando en ello. Además planean integrar las nuevas sustancias en una matriz de polímeros.

Referencia: S. Balouchev, T. Miteva, V. Yakutkin, G. Nelles, A. Yasuda, and G. Wegner, Up-Conversion Fluorescence: Noncoherent Ex-citation by Sunlight, Physical Review Letters, October 4, 2006 (online)
Fuente: Instituto Max Planck

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