Físicos de la Universidad de Warwick, en Inglaterra, han publicado hoy una nueva investigación en el Journal Science sobre cómo «exprimir», dicen literalmente, las células solares para obtener más energía.
Según explican Marin Alexe, Ming-Min Yang y Dong Jik Kim en su artículo, titulado «Efecto flexo-fotovoltaico», se trata de deformar físicamente cada uno de los cristales que hay en los semiconductores utilizados por las células fotovoltaicas.
Los investigadores de Warwick señalan que el diseño actual de la mayoría de las células solares comerciales pone un límite absoluto a su eficiencia. La mayoría de ellas están formadas por dos capas que crean en su límite una unión entre dos tipos de semiconductores, tipo p con portadores de carga positiva (agujeros que pueden llenarse con electrones) y tipo n con portadores de carga negativos (electrones).
El problema es que «cuando se absorbe la luz, la unión de los dos semiconductores sostiene un campo interno que divide los portadores foto-expuestos en direcciones opuestas, generando una corriente y voltaje a través de la unión. Sin tales uniones, la energía no puede ser cosechada y los portadores foto-expuestos simplemente se recombinan rápidamente eliminando cualquier carga eléctrica«, explica la Universidad en un comunicado.
Explican que con el diseño actual de muchas células solares comerciales, de toda la energía contenida en la luz solar que cae sobre ellas en condiciones ideales, solo un 33.7% pueda convertirse en electricidad.
Esa unión entre los dos semiconductores es fundamental para obtener energía de una célula solar así que este límite hace que de toda la energía contenida en la luz solar que cae sobre una célula solar en condiciones ideales, solo un 33.7% pueda convertirse en electricidad.
Desafortunadamente, los materiales que pueden recolectar cargas producidas por los fotones del sol o de otros lugares -fecto fotovoltaico masivo- tienen una eficiencia de generación de energía muy baja, y nunca se usan en sistemas prácticos de generación de energía.
Es el caso de ciertos semiconductores y aisladores donde su falta de simetría perfecta alrededor de su punto central (su estructura no centrosimétrica) permite la generación de voltaje que puede ser en realidad más grande que el espacio de banda de ese material (el espacio de banda es el espacio entre el rango más alto de energías de electrones de la banda de valencia en el que los electrones están normalmente presentes a temperatura cero absoluta y la banda de conducción donde puede fluir la electricidad), detalla el comunicado.
Ante esta situación, el equipo de Warwick se preguntó si era posible tomar los semiconductores que son efectivos en las células solares comerciales y manipularlos o empujarlos de alguna manera para que ellos también puedan ser forzados a una estructura no centrosimétrica y posiblemente también se beneficien del efecto fotovoltaico masivo.
Para este trabajo decidieron intentar, literalmente, empujar tales semiconductores usando puntas conductoras de dispositivos de microscopía de fuerza atómica a un «nano-indentador» que luego usaron para exprimir y deformar cristales individuales de Titanato de Estroncio (SrTiO3), Dióxido de Titanio (TiO2) y Silicio (Si). Descubrieron que los tres podrían deformarse de esta manera para darles también una estructura no centrosimétrica y que de hecho podían dar el efecto fotovoltaico masivo.
Según el profesor Marin Alexe «ampliar la gama de materiales que pueden beneficiarse del efecto fotovoltaico masivo tiene varias ventajas: no es necesario formar ningún tipo de unión, se puede seleccionar cualquier semiconductor con mejor absorción de luz para las células solares y, finalmente, el límite termodinámico máximo de la eficiencia de conversión de energía, llamada Shockley-Queisser Limit, se puede superar«.
Para este físico «existen desafíos de ingeniería, pero debería ser posible crear celdas solares donde un campo de simples puntas de vidrio (cien millones por cm2) pueda mantenerse en tensión para desformalizar suficientemente cada cristal de semiconductor. Si tal ingeniería futura pudiese agregar incluso un solo punto porcentual de eficiencia sería de inmenso valor comercial para los fabricantes de células solares y los proveedores de energía«.
