Investigadores de la Universidad Martin Luther de Halle-Wittenberg consiguieron multiplicar por 10 el efecto fotovoltaico de los cristales ferroeléctricos creando capas cristalinas de titanato de bario, titanato de estroncio y titanato de calcio, que colocaron alternativamente unas sobre otras.
Sus hallazgos, publicados en la revista Science Advances, podrían aumentar considerablemente la eficiencia de las células solares.
En su artículo, los investigadores explican que, en la actualidad, la mayoría de las células solares están basadas en el silicio, lo que significa que su eficiencia es limitada.
La eficiencia limitada de las celdas basadas en silicio llevó a examinar las propiedades del titanato de bario, un óxido mixto de bario y titanio.
“Ferroeléctrico significa que el material tiene cargas positivas y negativas separadas espacialmente”, afirma Akash Bhatnagar, coautor del estudio, en un comunicado de prensa. “La separación de cargas da lugar a una estructura asimétrica que permite generar electricidad a partir de la luz”.
A diferencia del silicio, los cristales ferroeléctricos no requieren la llamada unión pn para crear el efecto fotovoltaico, es decir, no hay capas dopadas positiva y negativamente. Esto facilita mucho la producción de paneles solares.
Bhatnagar explicó que el titanato de bario puro no absorbe mucha luz solar y, en consecuencia, genera una fotocorriente comparativamente baja. Sin embargo, las últimas investigaciones han demostrado que la combinación de capas extremadamente finas de diferentes materiales aumenta considerablemente el rendimiento de la energía solar.
“Lo importante aquí es que un material ferroeléctrico se alterna con un material paraeléctrico. Aunque este último no tiene cargas separadas, puede convertirse en ferroeléctrico en determinadas condiciones, por ejemplo a bajas temperaturas o cuando se modifica ligeramente su estructura química”, explica el físico.
El grupo de investigación de Bhatnagar descubrió que el efecto fotovoltaico aumenta considerablemente si la capa ferroeléctrica se alterna no sólo con una sino con dos capas paraeléctricas diferentes.
Así, incrustaron el titanato de bario entre el titanato de estroncio y el titanato de calcio. Esto se consiguió vaporizando los cristales con un láser de alta potencia y volviéndolos a depositar en sustratos portadores. Así se obtuvo un material formado por 500 capas de unos 200 nanómetros de grosor.
El material de 500 capas obtenido, al realizar las mediciones, fue capaz de generar un flujo de corriente hasta 10 veces mayor.
Al realizar las mediciones fotoeléctricas, se irradió el nuevo material con luz láser. El resultado fue inesperado: en comparación con el titanato de bario puro de un grosor similar, el flujo de corriente era hasta 10 veces mayor, y ello a pesar de que la proporción de titanato de bario como principal componente fotoeléctrico se había reducido en casi dos tercios.
“La interacción entre las capas de la red parece dar lugar a una permitividad mucho mayor, es decir, los electrones pueden fluir mucho más fácilmente debido a la excitación de los fotones de luz”, explica Bhatnagar. Las mediciones también demostraron que este efecto es muy robusto: se mantuvo casi constante durante un periodo de seis meses.
El científico también dijo que ahora hay que seguir investigando para averiguar exactamente la causa del extraordinario efecto fotoeléctrico. Con todo, confía en que el potencial demostrado por el nuevo concepto pueda utilizarse para aplicaciones prácticas en paneles solares.
“La estructura de capas muestra un mayor rendimiento en todos los rangos de temperatura que los ferroeléctricos puros. Además, los cristales son mucho más duraderos y no requieren un embalaje especial”.
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