Las placas solares se han convertido en una solución muy popular para generar electricidad limpia y sostenible en España. Sin embargo, para aprovechar al máximo la energía solar, es necesario mejorar la eficiencia de los paneles fotovoltaicos. Algo que lo que diversos investigadores llevan tiempo trabajando, con nuevas tecnologías que logran aumentar esta característica, como un invento que dispara la productividad un 15% u otro que lo hace en un 20%; mientras que ahora un nuevo grupo de científicos ha ido un poco más allá creando un material cuántico que aumenta el rendimiento un 190% y sin cambiar la instalación.

Unos investigadores de la Universidad de Lehigh, situada en Bethlehem (Pensilvania, Estados Unidos), han desarrollado un nuevo material que tiene el potencial de aumentar drásticamente la eficiencia de las placas solares. Un elemento cuántico que hará que la próxima generación de paneles fotovoltaicos sean más eficaces. En ese sentido, el equipo de científicos ha presentado un prototipo que utiliza este nuevo elemento como capa activa en una célula solar; que ha mostrado una absorción fotovoltaica del 80% y una eficiencia cuántica externa (EQE, por sus siglas en inglés) de hasta el 190%.

Cabe señalar que la EQE es la relación entre el número de electrones recogidos por la célula solar y el número de fotones que la alcanzan; por lo que describe lo bien que una celda fotovoltaica convierte los fotones en corriente eléctrica. Por ese motivo este revolucionario avance supera el límite teórico establecido por la eficiencia Shockley-Queisser -que fue fijado en 1961 en un 33,7%- para células fotovoltaicas tradicionales basadas en silicio. En comparación con este nuevo invento, las celdas solares convencionales tienen una EQE máxima del 100%.

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"Este trabajo representa un importante salto adelante en nuestra comprensión y desarrollo de soluciones energéticas sostenibles. Destaca enfoques innovadores que podrían redefinir la eficiencia y la accesibilidad de la energía solar en un futuro próximo", ha señalado en un comunicado Chinedu Ekuma, autor del trabajo de investigación; que se ha publicado en la revista científica Science Advances,.

Paneles más eficientes

La investigación muestra que la notable mejora de la eficiencia del material se reduce a una característica única denominada "estados de banda intermedia"; que se refiere" a los niveles de energía específicos dentro de la estructura electrónica del material, que están situados en una posición ideal para convertir la luz en energía". En el caso de este nuevo elemento cuántico desarrollado por la Universidad de Lehigh, estos estados "tienen niveles de energía dentro de los intervalos de subbanda óptimos, rangos de energía en los que el material puede absorber eficazmente la luz solar y producir portadores de carga".

Esquema de la nueva celda solar. Ekuma Lab/Universidad de Lehigh Omicrono

Unos estados que pueden capturar la energía fotónica que pierden las células fotovoltaicas tradicionales. En las células solares tradicionales, la eficiencia cuántica externa máxima es del 100%, lo que representa la generación y recolección de un electrón por cada fotón absorbido de la luz solar. Y, a pesar de esta cifra, dichas placas suelen perder energía fotónica por reflexión y la producción de calor.

El equipo de investigadores ha aprovechado los "huecos de van der Waals", que son unos espacios atómicamente pequeños entre materiales bidimensionales en capas, para desarrollar su revolucionario elemento cuántico. Unas brechas que pueden confinar moléculas o iones, y que los científicos de materiales utilizan habitualmente para insertar o intercalar otros elementos para ajustar las propiedades de un elemento.

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Para crear su invento, los investigadores de la Universidad de Lehigh apostaron por introducir átomos de cobre cerovalente entre las capas de un material bidimensional hecho de seleniuro de germanio (GeSe) y sulfuro de estaño (SnS). Es decir, los científicos se imaginaron dos finas láminas bidimensionales de un material con pequeños agujeros o brechas denominadas "huecos de van der Waals".

Y para hacerlas más eficientes, los científicos insertaron los átomos de un cobre cerovalente en dichos huecos, aumentando así la eficiencia de la célula. Tras un exhaustivo modelado informático del sistema y un tiempo de largo de investigación, Chinedu Ekuma desarrolló junto a su equipo un prototipo de este nuevo panel fotovoltaico.

Unos paneles solares. Unsplash Omicrono

"Su respuesta rápida y eficiencia mejorada indican fuertemente el potencial del GeSe/SnS intercalado con Cu como material cuántico para su uso en aplicaciones fotovoltaicas avanzadas, ofreciendo un camino para mejoras en la conversión de energía solar", ha indicado el experto. Según Ekuma, se trata de "un candidato prometedor para el desarrollo de células solares de próxima generación, altamente eficientes, que jugarán un papel crucial en la satisfacción de las necesidades energéticas globales".

Nuevas investigaciones

Por el momento Ekuma ha creado un prototipo como prueba de concepto y ha señalado que la incorporación de este nuevo material en los sistemas de energía solar existentes requerirá esfuerzos adicionales tanto de investigación como de desarrollo. Sin embargo, el autor de la investigación ha destacado que la técnica experimental que han utilizado para crear este nuevo elemento cuántico está muy avanzada.

No sólo eso, sino que con el tiempo el grupo de investigadores han perfeccionado un sistema que inserta con precisión átomos, iones y moléculas en los materiales. Una investigación que muestra cómo las placas solares de nueva generación aumentarán su rendimiento y que se ha financiado, en parte, con una subvención del Departamento de Energía de Estados Unidos.