Investigadores de la Universidad de Kansas han hecho un gran avance en la comprensión de los semiconductores orgánicos, lo que apunta a células solares más eficientes y versátiles.
Durante años, el silicio ha dominado el panorama de la energía solar. Su eficiencia y durabilidad lo han convertido en el material preferido para los paneles fotovoltaicos. Sin embargo, las células solares de silicio son rígidas y caras de producir, lo que limita su potencial para superficies curvas.
Los semiconductores orgánicos, materiales basados en el carbono, ofrecen una alternativa viable a menor coste y con mayor flexibilidad. «Pueden reducir potencialmente el costo de producción de los paneles solares porque estos materiales pueden recubrirse sobre superficies arbitrarias utilizando métodos basados en soluciones, igual que pintamos una pared», explica Wai-Lun Chan, profesor asociado de Física y Astronomía de la Universidad de Kansas.
Pero estos semiconductores orgánicos no sólo ahorran dinero. Pueden ajustarse para absorber longitudes de onda de luz específicas, lo que abre una infinidad de nuevas posibilidades.
«Estas características hacen que los paneles solares orgánicos sean especialmente adecuados para su uso en edificios ecológicos y sostenibles de nueva generación», señala Chan. Imaginemos paneles solares transparentes y de colores, perfectamente integrados en diseños arquitectónicos.
A pesar de todas estas ventajas, las células solares orgánicas han tenido dificultades para igualar la eficiencia de sus homólogas de silicio. Mientras que los paneles de silicio pueden convertir hasta el 25% de la luz solar en electricidad, las células orgánicas rondan el 12% de eficiencia. Esta diferencia ha sido un obstáculo importante para su adopción generalizada.
Desbloquear la eficiencia
Los últimos avances han rejuvenecido el interés por los semiconductores orgánicos. Una nueva clase de materiales llamados aceptores no fullerénicos (NFA) ha acercado la eficiencia de las células solares orgánicas al 20%, acortando la distancia con el silicio.
El equipo de investigación de Kansas se propuso entender por qué los NFA funcionan mucho mejor que otros semiconductores orgánicos. Su investigación les llevó a un descubrimiento sorprendente: en determinadas circunstancias, los electrones excitados de los NFA pueden ganar energía de su entorno en lugar de perderla.
Este hallazgo contradice la sabiduría convencional. «Esta observación es contraintuitiva, ya que los electrones excitados suelen perder su energía con el entorno, como una taza de café caliente que pierde su calor con el ambiente», explica Chan.
El equipo, dirigido por el estudiante de posgrado Kushal Rijal, experimentó con una sofisticada técnica llamada espectroscopia de fotoemisión de dos fotones con resolución temporal. Este método les permitió rastrear la energía de los electrones excitados a menos de una trillonésima de segundo.
Un aliado improbable
Los investigadores creen que esta inusual ganancia de energía se debe a una combinación de mecánica cuántica y termodinámica. A nivel cuántico, puede parecer que los electrones excitados existen en varias moléculas simultáneamente.
Unido a la segunda ley de la termodinámica, este comportamiento cuántico invierte la dirección del flujo de calor.
«Para las moléculas orgánicas dispuestas en una estructura específica a nanoescala, la dirección típica del flujo de calor se invierte para que aumente la entropía total», explicó Rijal en un comunicado de prensa.
«Este flujo de calor invertido permite que los excitones neutros ganen calor del entorno y se disocien en un par de cargas positivas y negativas. Estas cargas libres pueden a su vez producir corriente eléctrica».
Más allá de las células solares
Más allá de la mejora de las células solares, el equipo cree que sus hallazgos son aplicables en otras áreas de la investigación sobre energías renovables. Piensan que el mecanismo descubierto conducirá a fotocatalizadores más eficientes para convertir el dióxido de carbono en combustibles orgánicos.
«A pesar de que la entropía es un concepto bien conocido en física y química, rara vez se ha utilizado activamente para mejorar el rendimiento de los dispositivos de conversión de energía», subraya Rijal.
Con información de Interesting Engineering
