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Pequeña revolución en energía solar

Área: Física — junio 5, 2006

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Fotografías en falso color de microscopio electrónico en la que se ven los cristales mencionados. Foto: A. Norman, S. Ahrenkiel, A. Hicks, J. Murphy – NREL.

Uno de los problemas de las células solares estriba en el bajo rendimiento de las mismas. Así, una célula solar comercial de silicio sólo transforma en electricidad el 15% de la luz que le llega. Aunque esa cifra se puede incrementar en el laboratorio con prototipos multicapa muy caros, desde hace años se buscan sistemas alternativos que rindan más a bajo precio, única manera de que la energía solar fotovoltaica sea rentable.
La razón del bajo rendimiento se debe, entre otras razones a que cuando un fotón de luz incide en el semiconductor de una célula convencional suele rendir como máximo solamente un electrón. La física del sistema es bastante compleja, pero se podría resumir en que cuando un electrón libre que ha absorbido un fotón colisiona (y sucede frecuentemente) con los átomos vecinos entonces es menos capaz de liberar otro electrón y la energía que debería emplearse en ello se pierde en vibraciones de la red que se escapa en forma de calor.
Recientemente diversos grupos de investigación han conseguido en el laboratorio liberar varios electrones por fotón incidente usando puntos cuánticos hechos con pequeños cristales de seleniuro o telururo de plomo.
Los puntos cuánticos son pequeñas regiones nanométricas en las cuales la función de ondas cuántica de los electrones que hay dentro se ve confinada de tal modo que dichos puntos actúan como si fueran átomos artificiales. Como se pueden manipular para condicionar sus cualidades podemos sintonizar las propiedades a nuestras necesidades, así en lugar de conformarnos con las propiedades de los átomos normales que nos ha dado la naturaleza podemos conseguir unos hechos a medida. Por ejemplo se pueden crear nanocristales semiconductores con una zanja o gap de energía más pequeña.
Sorprendentemente hace poco se ha visto que estos puntos cuánticos son capaces de liberar varios electrones donde antes sólo se liberaba uno, por lo que el rendimiento final de una célula solar basada en esta tecnología podría ser el doble o más que el actual. Esto podría significar una revolución en energía solar.
El número de electrones libres depende de la frecuencia del fotón incidente y de la composición química del punto cuántico. En un reciente experimento se usó un punto cuántico de 8 nanometros de seleniuro de plomo que bajo la incidencia de un fotón ultravioleta se liberaban nada menos que 7 electrones.
Lo apasionante es que la explicación del fenómeno no está clara. Los físicos están ahora discutiendo sobre la naturaleza del fenómeno. Según unos debe de existir alguna propiedad no vista hasta ahora que explique esto y según otros ya existen mecanismos bien establecidos que lo explican. En todo caso es una nueva física muy interesante a la par que útil.
Los semiconductores son materiales que están entre los aislantes, en los que los electrones están atrapados y no pueden moverse con lo que no conducen la corriente, y los metales, donde hay siempre electrones libres que pueden circular y transportar corriente. En los semiconductores si se introduce una pequeña energía los electrones se “liberan” y pueden conducir corriente. Esa energía debe de ser superior a cierto umbral determinado por el gap o zanja de energía del semiconductor de turno.
Cuando el electrón se libera deja atrás un hueco que actúa como una partícula de carga positiva. A este conjunto electrón-hueco se le denomina excitón.
Hasta ahora se había observado que se creaba un excitón por fotón incidente a no ser que se utilizasen fotones muy energéticos como los de rayos X, que en este caso crea varios excitones.
Los multiexcitones producidos por los rayos X se crean por un proceso de ionización por impacto en el cual los excitones “chocan” con un átomo produciendo más excitones. Es un proceso paso a paso o en cascada. Se creía hasta hace poco que este proceso no se podría dar con fotones menos energéticos como los de la luz visible o ultravioleta.
Hasta ahora la creación de varios excitones en puntos cuántico se ha interpretado como un efecto multiexcitón similar al ocurrido con los rayos X. En 2004 se reportó la creación de tres excitones en nanocristales de seleniuro de plomo bajo el impacto de un fotón azul. Otros equipos de investigadores han confirmado estos hallazgos además de verlo también en puntos cuánticos de sulfito de plomo. El año pasado se publicó un resultado en el que se producían dos excitones en puntos cuánticos hechos con un compuesto de cadmio y selenio. En marzo se publicó otro resultado en el que se usaron puntos cuánticos de telururo de plomo para producir tres excitones a partir de un fotón y finalmente un grupo de Los Álamos reportó 7 excitones por fotón ultravioleta. Ya se investiga en puntos cuánticos de telururo de cadmio. Algunos sugieren que quizás este efecto se de en todos los puntos cuánticos.
El máximo número teórico de excitones producidos depende de la energía del fotón partida por la energía del gap de energía. Como con un punto cuántico se puede “sintonizar” un gap de energía muy pequeño entonces se pueden crear varios excitones.
La polémica es si el sistema multiexcitón de ionización por impacto puede crear todos esos excitones, pues medidas del tiempo del proceso impiden creer en un proceso paso a paso cuando el total del tiempo empleado es sólo de 50 fs. Por eso han surgido explicaciones más exóticas en la cuales un fotón incidente instantáneamente crea varios excitones.
En todo caso, independientemente de la explicación del fenómeno, se ha calculado que el rendimiento de las células solares fabricadas con estos materiales podría llegar a un máximo de un 42%. Ya se está investigando en células solares de plástico con nanocristales de este tipo disueltos en su estructura con buenas expectativas.
A pesar de todo queda mucho trabajo por hacer, pero si finalmente esta tecnología llega al mercado el impacto en la generación de electricidad o hidrógeno a partir de la luz del sol podría ser enorme en estos tiempos de petróleo tan caro.

7 Comentarios

  1. Jose Piñeiro:

    No me queda nada claro qué es un punto cuántico y el proceso por el que se construye.
    Eso me impide formarme una opinión sobre la viabilidad y coste de esta técnica, la cual será muy interesante para sus lectores. Les agradecería una aclaración o un artículo sobre el tema.
    No si esta petición contraviene su política (creo que no). En cualquier caso les agradezco su labor.

  2. Javier:

    Tras leer su artículo sobre la revolución en energía solar, y las aplicaciones con telururos, me interesaría saber en que punto se encuentran dichas investigaciones. Me ha llegado la información de un fabricante que ya esta comercializando paneles solares con TeCd y no se la durabilidad que estos ofrecen, aunque el fabricante ya los esta garantizando durante 25 años.
    Un saludo

  3. Administrator:

    Para José:
    Un punto cuántico es una región de material un objeto lo suficientemente pequeño como para que las funciones de onda de los electrones contenidos en él se vean afectadas por su tamaño.
    El proceso de fabricación no es determinante, pero el control de calidad debe de ser bueno para que sólo haya puntos cuánticos de determinado tamaño.

  4. Administrator:

    Para Javier:
    Puede ser que comercialicen células solares con ese material semiconductor, pero dudo que estén basadas ya en puntos cuánticos. Pregunte a ese fabricante.

  5. francisco:

    Soy proyectista de sistemas fotovoltaicos y estoy muy interesado en esta nueva tecnología.
    Querría más datos sobre ella, dónde puedo conseguirla, quién es el fabricante? etc.

  6. Administrator:

    De momento esta tecnología está en desarrollo y no se ha comercializado aún.

  7. Juan Espinal:

    ¿Será que estos puntos cuántico responden a los muones, partículas gamma o partículas de alta frecuencia? O de pronto paneles solares hechos con puntos cuánticos podrían ser deteriorados por el evento de que una de estas partículas haga incidencia sobre ellos.

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