Antes que cubrir la superficie terrestre con paneles solares para aprovechar la mayor cantidad de luz solar que llega a la Tierra, el reto está en mejorar la eficiencia de los mismos, conseguir que transformen la mayor cantidad de luz que impacta en las placas que muchas familias ya han instalado en sus hogares en España.
Sin embargo, como si de un colador se tratara, los actuales modelos dejan pasar o desperdician un alto porcentaje de la luz solar. De ahí que numerosos proyectos se esfuercen actualmente por ofrecer soluciones diversas a este problema como la siguiente colaboración entre Japón y Alemania que afirma haber conseguido incrementar la eficiencia al 130%.
¿Cómo es posible transformar más energía de la que se recibe? Cuando el principio más básico de la física dice que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma, la afirmación de que unos investigadores de Japón han desarrollado una tecnología capaz de incrementar la eficiencia de las placas solares al 130%, resulta sorprendente e incomprensible en un primer momento.
Ese porcentaje implica que las placas solares fabricadas con esta innovación serían capaces de generar y recolectar más energía que la luz solar que reciben. Aunque la explicación detallada suaviza esta cifra chocante, el proyecto promete una técnica que duplicaría la eficiencia de los paneles solares tradicionales.
Superando el límite
La Tierra recibe aproximadamente 89.000 teravatios de energía solar, casi 5.000 veces más del gasto energético global que consumen los seres humanos cada año. Un consumo que crecerá en los próximos años con el incremento de la dependencia en Inteligencia Artificial.
Unas placas solares.
Omicrono
No obstante, los actuales paneles solares no son capaces de transformar por completo la luz que les llega del Sol, numerosos proyectos de todo el mundo, incluida España, persiguen dar con la solución a esa parte de energía que se pierde, con diferentes propuestas.
La radiación solar abarca las longitudes de onda ultravioleta (3-5%), visible (40-45%) e infrarroja (50-55%). Las células fotovoltaicas (FV) convierten principalmente la luz visible y parte del espectro infrarrojo cercano en electricidad.
Esta deficiencia se conoce como la band gap y se refiere a la energía que debe tener un fotón – la partícula que compone la luz- para poder interactuar con los componentes de la placa solar.
El proceso es sencillo: los fotones inciden sobre un material semiconductor, generalmente silicio, y transfieren su energía a un electrón del semiconductor, liberándolo y poniéndolo en movimiento. Estos electrones energizados o excitones constituyen una corriente eléctrica.
Esa brecha de banda o band gap está en el semiconductor. Si el fotón tiene menos energía (luz infrarroja) que la band gap, atravesará la célula sin hacer nada y esa parte de la luz se pierde. En cambio, si tiene más energía, como es el caso de la luz ultravioleta, solo se aprovecha lo que marca la brecha de banda y el resto se disipa como calor dentro del material.
Eso significa que, aunque el Sol emite un espectro muy amplio, cada material solo aprovecha bien una franja concreta de luz. Por ello, se han planteado soluciones como el uso de espejos para concentrar más cantidad de luz solar.
También se emplean celdas multiunión, que apilan varias capas de distintos materiales, cada una con una brecha diferente, de forma que cada capa aprovecha una porción distinta del espectro.
Multiplicando
Entre las últimas soluciones planteadas, está la de este equipo japonés que ha dado una nueva perspectiva a la generación de energía solar. El proyecto se basa en lo que se conoce como la fisión singlete, un proceso en el que un único excitón de alta energía se divide en dos excitones de menor energía.
En palabras de uno de los investigadores a cargo del proyecto, hay dos formas de abordar el límite de las placas solares: Una consiste en convertir fotones infrarrojos de baja energía en fotones visibles de mayor energía.
La otra, la que exploramos aquí, consiste en utilizar la fisión de singletes para generar dos excitones a partir de un único fotón excitónico“, explica el profesor asociado Yoichi Sasaki, de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Kyushu.
En lugar de producir un excitón por fotón, este proceso permite que un único fotón de alta energía genere dos excitones de menor energía. Algunos semiconductores orgánicos como el tetraceno se usan para provocar este efecto multiplicador, pero la captura de los excitones que se generan con la fisión es el siguiente reto al que se enfrenta la industria.
El concepto de fisión de singlete no es nuevo. El problema siempre ha sido la captura. Antes de que los dos nuevos excitones puedan extraerse y utilizarse, tienden a ser absorbidos por mecanismos competitivos; la energía es “robada” antes de que pueda ser utilizada.
Aquí es donde han innovado más los investigadores, creando un emisor de “inversión de espín” basado en molibdeno, un sistema que captura selectivamente estos excitones triplete que de otro modo se perderían. En este proceso cuántico, durante la absorción y la emisión, un electrón dentro del complejo invierte su espín. Esta propiedad lo hace especialmente idóneo para aceptar los excitones triplete producidos por la fisión de singlete.
Rendimiento cuántico
Según se detalla en el artículo, el equipo logró recolectar energía con éxito, alcanzando rendimientos cuánticos de cerca del 130%. Esto se traduce en la excitación de aproximadamente 1,3 complejos metálicos a base de molibdeno por cada fotón absorbido. En otras palabras, el sistema sería capaz de generar y recolectar más portadores de energía que fotones recibidos, superando el límite convencional del 100%.
Fisión de Singlete
Omicrono
Para quien a estas alturas del artículo siga algo perdido, las células solares no absorben más luz solar de lo habitual. En cambio, extraen más portadores de carga útiles de la misma luz absorbida, recuperando la energía que normalmente se perdería en forma de calor debido a los fotones de alta energía.
Los fotones de luz azul, que actualmente superan el umbral y disipan el exceso en forma de calor, podrían dividirse en dos excitones utilizables cada uno, reduciendo así la pérdida de calor y aumentando la corriente. Un objetivo más realista sugiere que las placas solares que acaben haciendo uso de esta innovación, podrían duplicar la eficiencia de los modelos actuales.
Al ser un proyecto aún en fase de prueba de concepto, tiene un extenso recorrido hasta poder llevar esta innovación tecnológica al mercado.
