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Las células solares alcanzaron cerca del 130% de eficiencia en pruebas con un nuevo sistema molecular a base de molibdeno, superando una barrera histórica de la energía solar y abriendo camino para paneles más potentes, con más portadores de energía generados que fotones absorbidos
Las células solares dieron un paso importante hacia la superación de una barrera histórica de eficiencia con un avance obtenido por investigadores de la Universidad de Kyushu, en Japón, en colaboración con la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz, en Alemania. La nueva estrategia permitió a las células solares alcanzar una eficiencia de conversión de energía de alrededor del 130%, al producir más portadores de energía que fotones absorbidos.
El resultado fue publicado el 25 de marzo en el Journal of the American Chemical Society y se basa en el uso de un complejo metálico a base de molibdeno con “inversión de spin”.
El sistema fue diseñado para capturar la energía extra generada por la fisión de singlete, un proceso señalado como una ruta prometedora para ampliar el aprovechamiento de la luz solar en células solares.
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Cómo las células solares pierden parte de la energía
Las células solares generan electricidad cuando los fotones de la luz solar alcanzan un semiconductor y transfieren energía a los electrones, poniendo estas partículas en movimiento y formando una corriente eléctrica. A pesar de esto, no toda la luz recibida puede ser aprovechada con la misma eficiencia.
Fotones infrarrojos de baja energía no pueden activar electrones, mientras que fotones de alta energía, como los de la luz azul, terminan desperdiciando la energía excedente en forma de calor. Debido a este límite físico, las células solares modernas solo pueden utilizar alrededor de un tercio de la luz solar incidente.
Esta restricción es conocida como el límite de Shockley-Queisser y desde hace mucho tiempo representa un obstáculo para el avance de la tecnología solar. La búsqueda de formas de sortear esta barrera ha guiado investigaciones orientadas a la creación de células solares más eficientes.
La estrategia que elevó la eficiencia al 130%
Una de las rutas estudiadas para superar este techo es la fisión de singlete. En este proceso, un único excitón de spin singlete, generado tras la absorción de un fotón, puede dividirse en dos excitones de spin triplete de menor energía, ampliando el número de portadores energéticos disponibles.
En condiciones normales, cada fotón produce solo un excitón. Con la fisión de singlete, sin embargo, este rendimiento puede ser ampliado, lo que abre la posibilidad de aumentar la eficiencia de las células solares más allá de lo que hoy se considera convencional.
Materiales como el tetraceno ya demostraban capacidad para sostener este proceso, pero la captura eficiente de estos excitones multiplicados seguía siendo un desafío. Antes de que la multiplicación energética pudiera ser aprovechada, parte de ella se perdía por un mecanismo llamado transferencia de energía por resonancia de Förster, conocido por la sigla FRET.
El papel del molibdeno y de la inversión de spin
Para reducir estas pérdidas, los investigadores buscaron un aceptor de energía capaz de capturar selectivamente los excitones triplete generados tras la fisión de singlete. La solución encontrada fue un emisor de inversión de spin a base de molibdeno, diseñado para absorber o emitir luz en el infrarrojo cercano mientras un electrón altera su spin.
Con el ajuste de los niveles de energía del sistema, el equipo logró minimizar las pérdidas causadas por la FRET y extraer con más eficiencia los excitones multiplicados. Cuando se combinó con materiales a base de tetraceno en solución, el arreglo presentó rendimientos cuánticos de alrededor del 130%.
En la práctica, esto significa que aproximadamente 1,3 complejos metálicos a base de molibdeno fueron activados por cada fotón absorbido. El resultado mostró que el sistema logró producir más portadores de energía que el número de fotones incidentes, superando el límite tradicional del 100%.
Próximos pasos para nuevas células solares
El trabajo aún está en fase de prueba de concepto, pero los investigadores pretenden integrar estos materiales en sistemas de estado sólido. El objetivo es mejorar la transferencia de energía y acercar la tecnología a aplicaciones prácticas en células solares.
Además del impacto potencial sobre células solares más potentes, los resultados también pueden estimular nuevas investigaciones que combinen fisión de singlete y complejos metálicos en otras áreas. Entre las posibilidades citadas están LEDs y tecnologías cuánticas emergentes.
Este artículo fue elaborado con base en información sobre investigación publicada el 25 de marzo en el Journal of the American Chemical Society, conducida por investigadores de la Universidad de Kyushu, en Japón, en colaboración con la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz, en Alemania.
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