Nuevo material capta todo el espectro solar

Esta novedosa investigación viene a mano de un equipo de ingenieros de la Universidad del Estado de Ohio, los cuales han creado un nuevo material que supera dos de los principales obstáculos que se oponen a la energía solar: la absorción de toda la energía contenida en la luz del sol, y la generación de electrones de una forma que sea más fácil de capturar. Para conseguirlo han combinado conductores plásticos eléctricos con metales como el molibdeno y titanio para crear este nuevo material híbrido.

En el mercado existen otros compuestos híbridos, pero la ventaja de este nuevo material es que puede cubrir toda la gama del espectro solar, según explicaba Malcolm Chisholm, distinguido profesor de ingeniería en la USO. La luz del sol contiene toda la gama de colores que puede verse a simple vista (todos los colores del arco iris). Lo que nuestros ojos interpretan como color son realmente diferentes niveles de energía, o frecuencias de la luz. Hoy en día los materiales compuestos de células solares pueden capturar sólo una pequeña gama de esas frecuencias, por lo que sólo puede captar una pequeña fracción de la energía contenida en la luz del sol.

Este nuevo material es el primero que puede absorber toda la energía contenida en la luz visible a la vez. Además genera electricidad al igual que hacen otros materiales de células solares: la luz transmite la energía a los átomos del material, y algunos de los electrones en esos átomos son liberados de golpe.

Idealmente, los electrones fluyen fuera del dispositivo mediante la corriente eléctrica, pero aquí es donde la mayoría de las células solares se meten en problemas. Los electrones sólo permanecen sueltos en una pequeña fracción de segundo antes de hundirse de nuevo en los átomos de la que proceden. Los electrones deben ser capturados durante el corto período de tiempo en los cuales son libres, y esta tarea, llamada “separación de cargas”, es difícil de conseguir. En el nuevo material híbrido, los electrones seguirán siendo mucho más libres de lo conseguido hasta la fecha.

Para el diseño de estos materiales híbridos, los investigadores han explorado diferentes configuraciones químicas en una súper computadora en el Centro de Ohio. Posteriormente, con la participación de otros ingenieros de la Universidad Nacional de Taiwán, consiguieron sintetizar las moléculas de los nuevos materiales en una solución líquida, midiendo las frecuencias de la luz en las moléculas absorbidas, y también midiendo la longitud del tiempo en que los electrones en concreto se mantenían libres en las moléculas.

Los ingenieros sorprendentemente encontraron que el nuevo material emite electrones en dos estados diferentes de energía, una llamada “simple”, y la otra llamada “triple”. Tanto la energía como sus estados son útiles para aplicaciones de células solares, ya que en “estado triple” dura mucho más tiempo que en el “estado simple”.

Los electrones en el estado simple permanecen libres hasta 12 picosegundos, o trillonésima de un segundo, el cual no es inusual en comparación con algunos materiales de células solares existentes. Pero los electrones en el estado triple consiguen una libertad de alrededor 7 millones de veces más que en el estado simple, hasta a 83 microsegundos, o millonésimas de segundo.

Llegados a este punto, el material necesitará unos años para comenzar en su desarrollo comercial, pero este experimento proporciona una prueba de concepto; que las células solares híbridas en materiales de este tipo pueden ofrecer unas inusuales propiedades.

El proyecto fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias del Estado de Ohio y el Instituto de Investigación de Materiales. El programa TIE (Targeted Investment in Excellence) tiene algunos de los objetivos enfocados a la sociedad de lo más apremiantes, con una inversión importante de recursos universitarios en sus programas, con un potencial de impacto significativo en los campos de la ingeniería. La Universidad ha comprometido más de 100 millones de dólares en los próximos cinco años para el soporte 10 de alto impacto en la mayoría de sus programas interdisciplinarios.

Datos de investigación provenientes de la Universidad del Estado de Ohio.